🍜 👨🏼‍🎓 🤹🏼 軌道へのシングルステージの夢 🤹 🍎 🤓

宇宙へのアクセスを容易にする夢のオプションの1つは、軌道へのシングルステージ（SSTO）です。理論的には、いつものように、すべてが美しいです-エレガントな船は滑走路に沿って加速し、空に飛び、宇宙速度に加速し、軌道に入り、ペイロードを降ろし、減速して同じ滑走路に乗ります。現実には、再び、いつものように、夢と予備設計の段階で感知できないさまざまな問題が、そのようなデバイスがまだ宇宙飛行の歴史全体で飛行していないという事実に至りました。この投稿では、なぜそれが起こったのかについてお話したいと思います。また、OrbiterのSkylon'eで飛行します。

定義で物事を整理しましょう

まず、「望ましいSSTO」とは、通常「SSTO +再利用性」を意味するということを言わなければなりません。または「SSTO +再利用性+翼（飛行機の離陸/着陸）+周囲の空気からの酸化剤」事実、今や軌道にわずかな負荷をかけるシングルステージのロケットを作成することは、特に難しいことではないということです。宇宙時代の夜明けでさえ、これは可能でした。 Titan-2 ICBMの第1段階では、非常に小さなペイロードを宇宙に打ち上げることができ、Atlas ICBMは構造的に「ほぼSSTO」でした。しかし、1回限りの単一ステージの打ち上げロケットを作成することは、非常に非合理的であるため、意味がありません。単段ロケットの質量は100〜150トンで、この場合は1トン以下の出力になります。同時に、同じPNの2段ロケットは50〜70トンに収まります。これらは、ツィオルコフスキー公式の興味深い特徴です。

したがって、ほとんどの場合、さまざまなSSTOプロジェクトは再利用性を暗示しています。設計者は、1つのステージの非効率性によって失われた運用コストの削減から利益を得ることを望んでいました。かなり頻繁に、デバイスは翼が付いていたため、翼の揚力が飛行中に役立ちました。また、非常に多くの場合、非常に珍しいエンジンが独自の特性を使用してデバイス上に立ち、設計者は効果的で有益な媒体を設計することを望んでいました。

理論のビット

各ソリューションの長所と短所の観点から提案されたさまざまなアイデアを検討してください。

再利用性

再利用性だけでは万能薬ではありません。航空会社の新しいコピーを作成するコストを削減しても、次のフライトのためにフライトから返される航空会社を準備するコストを必ずしも相殺するわけではありません。「宇宙へのアクセスを促進する」シリーズの投稿の1つは、スペースシャトルプログラムについての悲しい物語を伝えていますが、その経済研究は間違っていることが判明しました。

翼

宇宙船の翼も両刃の剣です。一方では、彼らのリフトを使用して、飛行場に着陸を制御することができます。一方、翼は大気圏外の自重であり（そしてそれを支えるのに十分な密度のある大気は失望するほど速く終わる）、追加の燃料を費やしてデバイスと一緒に分散させてブレーキをかける必要があり、翼の断熱材に追加の質量を費やしてブレーキ中に燃え尽きないようにする必要があります大気中。さらに、翼のある車両は、垂直に発射されたミサイルよりも穏やかな軌道に沿って加速し、追加の損失につながります。

大気酸素の使用

それは論理的なアイデアです-飛行中に大気から酸化剤を収集できるのであれば、なぜ酸化剤を運ぶ必要があるのですか？しかし、現実は再び価格を上げています。各ジェットエンジンは、それぞれの速度範囲で効果的であり、1つのデバイスに多くの異なるエンジンを搭載することは非合理的です。そして、非常に複雑なため、SR-71マルチモードエンジンは、これが現在のテクノロジーレベルのオプションではないことを明確に示しています。あなたはまだ空気を冷却することができます（限界では-液体酸素まで）が、ここには落とし穴があります。冷凍ユニットは、材料に高い要求を課し、宇宙では役に立たないため、大気中の窒素を使用して何かを行う必要があり、冷却にもエネルギーが必要です。

物語

アトラス

歴史的に、Atlas ICBMは、金属で実装された最初で唯一のほぼSSTOになりました。「1.5ステップ」スキームに従って構築され、飛行中に2つのサイドエンジンでテールコンパートメントを落とし、残りの中央のエンジンで飛行を続けました。

このバージョンでは、打上げ機は打上げ重量120トンで約1,400 kgの軌道に投入できます。その後、加速ブロック（「Able」、「Agena」、「Centaurus」）がロケットの上部に配置され、ペイロードが増加しましたが、もちろん、SSTOと呼ぶ権利は失われました。

不思議なことに、同じスキームによると、土星Vに基づいたプロジェクトがありました。どうやら、それは土星Vの低地球軌道に対して非常に強力な「ダウングレード」でした。理論的には、尾部を保存することはまだ可能ですが、これに関する深刻な研究はなかったようです。

航空宇宙機

プロジェクトは、1958年から1963年にかけて開発されました。大気酸素の液化エンジンから貫流型原子力まで、さまざまなエンジンが搭載されていました。大気中の酸素液化を伴うバリアントでは、次のスキームが機能しました。大気中の空気が熱交換器に入り、燃料と液体水素が循環しました。彼らは空気から酸素を抽出し、それをバッファータンクに供給し、そこからエンジンに送りました。 1960年には、推力12キログラムのデモンストレーターエンジンが作成され、5分間作動しました。技術的解決策の斬新性により、プロジェクトは1964年に静かに閉鎖されました。

シャトルの代替品

スペースシャトルの打ち上げは、いくつかのSSTOを含むいくつかの代替プロジェクトを生み出しました。

クライスラーserv

ソース1 、ソース2

垂直打ち上げと着陸を伴う非常に珍しい再利用可能なSSTOプロジェクト。

総重量は2040トン、低地球軌道のMOは52.8トン

マーティンマリエッタラングレーSSTO

出所

総重量は1925トン、PNはIEOで29.5トンです。それは当惑させられます、彼らはどこでそんなに多くのエンジンで、異なっていますか？

ボーイングラングレーSSTO

出所

1180トンの軽量版と3438トンの重量版がプロジェクトにありました。

ボーイングLEO VTVL SSTO

出所

垂直離着陸を備えた別の素晴らしいユニット。発射地点と着陸地点は、直径5キロメートルの特別な人工湖でした。

異なるバージョンでは、開始重量は5400〜10300トンです。

ホットル

70年代の巨大なマニアの勝利を背景に、HOTOLプロジェクトは実質的に実現可能に見えました。正気の宇宙船は、ユニークなRB545エンジンを中心に構築されました。エンジンについてはほとんど知られていないが、何らかの理由で分類されている。しかし、動作原理は既知であり、液体水素を使用して大気を冷却し、そこから酸素を抽出することはよく知られています。

プロジェクトは90年代に閉鎖され、エンジンの後方位置が重心を後方に移動することが明らかになったため、飛行の安定性を確保するために最大圧力中心を後方に移動する必要がありました。要するに、デザインは最初からやり直す意味があり、お金も欲望もなくなったようです。

「Sivka」Feoktistova

SSTOについても考えました。たとえば、エンジニアで宇宙飛行士のフェオクティストフは、重量が約1.5トンのSivkaロケットのプロジェクトを開発しました。ロケットは垂直に離陸し、垂直に着陸しなければなりませんでした。

X-30

このプロジェクトでは、彼らは新しいタイプのエンジン-極超音速ラムジェットを使用することにしました。大気との摩擦から生じる熱は、ケーシングの下の熱媒体によって集められ、燃焼室に送られることになっています。このアプローチは、20 Mの速度を利用可能にすることを約束しましたが、これは最初のスペースからそれほど遠くありません。さまざまなバージョンで、X-30は超高速旅客機または宇宙船キャリアとして開発されました。総質量は136トンでした。液体と固体の水素の混合物（スラッジ）を燃料として使用することになっていた。 1993年、予算の削減と技術的な懸念のために設計が停止しました（たとえば、極超音速で動作するエンジンが1つしかないデバイスは、どのように自力で離陸しますか？）

DC-X

SSTOの垂直離着陸装置のプロトタイプ（スケールモデル）。 90年代に成功したテストは、以前のプロジェクトと同様に、資金削減の犠牲になりました。成功したフライトと着陸中のクラッシュのビデオがあります：

ベンチャースター

90年代、垂直離陸、水平着陸。プロトタイプである大規模モデルX-33は、設計上の問題（液体水素のタンク内の微小亀裂）、安定性と過剰重量の問題、そして再び資金の削減により2001年に停止しました。

ロトン

ヘリコプターのブレードを使用したSSTO。ジェットエンジンで駆動されるブレードは、離陸時にメインエンジンとして使用され、打ち上げ時にコンプレッサーを作動させ、着陸時に自動回転して機械を減速させます。エンジンと熱保護を備えていないブレード付きのプロトタイプが正常に飛行しましたが、2001年に破産しました。

水瓶座

「大きく単純な安価なロケット」の概念の実装。設計によれば、1つの段階で最大3分の1の緊急開始が許可されます。開始重量は130トン、ペイロードは1トン、ロケットは可能な限りシンプルで安価に設計されています。1つのエンジン、置換フィード、ただし液体水素の使用は概念から外れています。開発者はCOTS（Commercial Orbital Transportation System）コンテストに申請書を提出しましたが、申請書は選択されず、プロジェクトは終了しました。

スカイロン

おそらく現在唯一の生きているプロジェクトです。水平打ち上げと着陸、翼、空中からの酸素を冷却するエンジンなど、同じ原理を持っているため、英国で、明らかにHOTOLに関連する人々によって開発されています。

同社のウェブサイトの情報から判断すると、2013年の夏に英国政府から6,000万ポンドを受け取り、軌道輸送システムを研究するためにESAと100万ユーロの契約を結びました。エンジンの一部はテストされていますが、エンジンは完全にはテストされていません。したがって、作業が実証される（そして、計算されたトラクション、燃料消費量などの特性が確認される）まで、将来のプロジェクトについて話すのは時期尚早です。残念ながら、さまざまなSSTOプロジェクトの歴史に関する知識は悲観的です。

説明付きのエンジン。 会社のウェブサイトからの資料。

オービター

それどころか、仮想世界ではすべてが素晴らしいです。特に、Skylon for Orbiterのアドオンがあります。以下が必要です。

ところで、VKグループOrbiterの愛好家は、プログラムのロシア化を行いました（残念ながらMFDなし）。必要に応じて、リンクをご覧ください。

これらすべてをインストールした後、Skylon C2スクリプトを実行します

私たちの仕事は、低地球軌道（200x200 km）に進入し、ケープカナベラルで制御された着陸を行うことです。あなたは私の以前の投稿からすでにOrbiterに精通していると想定されています。

キャブからのビューに切り替え、トリマーを完全に設定し、エンジン（標準ボタン、 Num + ）をオンにします。 Skylonはストリップから自分自身を引き裂くことができません。最後にNum 2を押して離陸を支援する必要があります。離陸直後、私たちは約90度向きを変えます。

車は安定したコースを維持し、ターンの後、特別な制御介入は必要ありません。安定した登山にはトリマーで十分です。ジェットエンジンモードの燃料は、高度約27 km、速度5 Mで十分です。燃料が少し残っている場合、F3を「2番目のSkylon」-「Skylon_rocketmode」に切り替えます。そこでメインエンジンをオンにします。

「Skylon C2」に切り替えて、 左Shift-Num 1の吸気フラップを閉じることができますが、これは純粋に美しさのためです。震源の高さが200 kmになるまで分散し続けます。エンジンを停止します。

軌道速度のベクトルに沿った位置をとり、中心点を上げる衝動を与えて、中心点を待っています。

軌道に乗っています！

残念ながら、ISSに飛ぶのに十分な燃料がないため、音楽をオンにして着陸の準備を始めます。

後でビデオを全画面で見ることをお勧めします。

残念ながら、Skylon_rocketmode船の場合、MFDカードは恥知らずに横たわっているため、Skylon C2に切り替える必要があります。または、最初のターンから着陸に十分な水平方向の操縦があることを知ってください。手順は標準です-MFD Aerobrakeが1000-2000 kmの不足を示すまで、17,000 kmの距離で減速します。慎重にブレーキをかけると、空のSkylonにはエンジンが強力になりすぎます。