การปล่อยจรวดเลื่อน

Q: ตัวอย่าง

เนื่องจากปัจจัยต่างๆ รวมถึงลักษณะเลขชี้กำลังของ สมการจรวด และ ประสิทธิภาพการขับเคลื่อน ที่สูงกว่า หากจรวดขึ้นจากจุดหยุดนิ่ง การศึกษา ของ NASA Maglifter ประมาณการว่าการปล่อย จรวด ELV ที่ความเร็ว 270 ม.

ตัวอย่างหนึ่งของการใช้รถเลื่อนจรวดช่วยในการปล่อยจรวด: โครงการ Maglifter ของ NASA ที่เสนอให้จรวดหนักกว่า 500 ตัน มีความเร็วเริ่มต้นจากบนภูเขา

การปล่อยจรวดโดย ใช้เลื่อน หรือที่รู้จักกันในชื่อการช่วยเหลือการปล่อยจากภาคพื้นดินการช่วยเหลือการปล่อยโดยใช้เครื่องดีดและการปล่อยจากทางลาดลอยฟ้าเป็นวิธีการที่เสนอสำหรับการปล่อย ยาน อวกาศตามแนวคิดนี้ ยานปล่อยจะได้รับการสนับสนุนจากรางหรือรางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ชี้ไปทางทิศตะวันออกซึ่งทอดยาวขึ้นไปตามด้านข้างของภูเขา ในขณะที่ใช้แรงภายนอกเพื่อเร่งความเร็วของยานปล่อยให้ถึงความเร็วที่กำหนด การใช้แรงภายนอกเพื่อเร่งความเร็วเริ่มต้นจะช่วยลดปริมาณเชื้อเพลิงที่ยานปล่อยต้องบรรทุกเพื่อไปถึงวงโคจร ทำให้ยานปล่อยสามารถบรรทุกน้ำหนักบรรทุกได้มากขึ้นและลดต้นทุนในการขึ้นสู่วงโคจร เมื่อความเร็วที่เพิ่มให้กับยานปล่อยโดยเครื่องเร่งความเร็วจากภาคพื้นดินมีมากพอ การบินขึ้น สู่วงโคจรในขั้นตอนเดียวด้วยยานปล่อยที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ก็จะเกิดขึ้นได้

สำหรับการวิจัยด้านความเร็วเหนือเสียงโดยทั่วไปนั้น สนามทดสอบที่ฐานทัพอากาศฮอลโลแมนได้ทำการทดสอบรถเลื่อนจรวดขนาดเล็กที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงสุดถึงระดับหนึ่ง (ณ ปี 2011)6453 ไมล์ต่อชั่วโมง (2,885 เมตร/วินาที; มัค 8.5) ^{[ 1 ]}

โดยพื้นฐานแล้วทางลาดลอยฟ้าจะทำให้ขั้นตอนแรกที่แพงที่สุดของจรวดสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้อย่างสมบูรณ์ เนื่องจากเลื่อนจะถูกส่งกลับไปยังตำแหน่งเริ่มต้นเพื่อเติมเชื้อเพลิง และสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ภายในไม่กี่ชั่วโมงหลังการใช้งาน ยานปล่อยจรวดในปัจจุบันมีต้นทุนที่ขับเคลื่อนด้วยประสิทธิภาพหลายพันดอลลาร์ต่อกิโลกรัมของน้ำหนักแห้งการปล่อยด้วยเลื่อนมีเป้าหมายเพื่อลดข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพและตัดจำหน่ายค่าใช้จ่ายด้านฮาร์ดแวร์จากการปล่อยซ้ำบ่อยครั้ง การออกแบบเลื่อนรางเอียงบนภูเขามักใช้เครื่องยนต์เจ็ทหรือจรวดเพื่อเร่งความเร็วของยานอวกาศที่ติดตั้งอยู่บนนั้น วิธีการทางแม่เหล็กไฟฟ้า (เช่น Bantam, Maglifter, StarTramและVariable Pitch Screw Launch ^{[ 2 ]} ) เป็นเทคนิคอื่น ๆ ที่ได้รับการตรวจสอบเพื่อเร่งความเร็วของจรวดก่อนการปล่อย ซึ่งอาจปรับขนาดให้รองรับมวลและความเร็วของจรวดที่มากกว่าการปล่อยจากอากาศได้^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

ภาพรวมของปัญหา

จรวดที่บรรทุกเชื้อเพลิงของตัวเองจะใช้เชื้อเพลิงส่วนใหญ่ในช่วงเริ่มต้นของการเดินทางเพื่อเร่งความเร็วเชื้อเพลิงส่วนใหญ่นั้น ตามที่ระบุไว้ในสมการของจรวดตัวอย่างเช่นกระสวยอวกาศใช้เชื้อเพลิงมากกว่าหนึ่งในสามเพื่อไปถึง 1,000 ไมล์ต่อชั่วโมง (1,600 กิโลเมตรต่อชั่วโมง) ^{[ 5 ]} หากพลังงานนั้นได้รับโดยไม่ต้องใช้เชื้อเพลิงที่จรวดบรรทุก (หรือยังไม่ได้ใช้ หรือไม่ได้ใช้เลย) ความต้องการเชื้อเพลิงของจรวดก็จะลดลงอย่างมาก และน้ำหนักบรรทุกก็จะเป็นสัดส่วนที่มากขึ้นของมวลขณะปล่อยตัว ทำให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น

สำหรับจรวดเคมี อัตราส่วนมวลระหว่างยานปล่อยที่เติมเชื้อเพลิงเต็มที่กับน้ำหนักบรรทุกที่ส่งไปยังปลายทางจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณเมื่อค่า delta-v ของภารกิจที่ต้องการเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ภารกิจที่ต้องการ delta-v สูงขึ้นต้องใช้สถาปัตยกรรมยานที่ใหญ่และซับซ้อนกว่าเมื่อเทียบกับมวลของน้ำหนักบรรทุกของภารกิจ การวิเคราะห์เชิงประจักษ์ชี้ให้เห็นว่าต้นทุนการปล่อยและการปฏิบัติภารกิจก็เพิ่มขึ้นแบบทวีคูณตาม delta-v ที่เพิ่มขึ้นเช่น กัน ^{[ 2 ]}ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนของภารกิจนอกวงโคจรต่ำของโลกสูงขึ้น เช่นภารกิจนำตัวอย่างจากดาวอังคารกลับมาซึ่งคาดว่าจะมีค่าใช้จ่ายประมาณ 11 พันล้านดอลลาร์

ตัวอย่าง

เนื่องจากปัจจัยต่างๆ รวมถึงลักษณะเลขชี้กำลังของสมการจรวดและประสิทธิภาพการขับเคลื่อน ที่สูงกว่า หากจรวดขึ้นจากจุดหยุดนิ่ง การศึกษา ของ NASA Maglifter ประมาณการว่าการปล่อย จรวด ELV ที่ความเร็ว 270 ม./วินาที (600 ไมล์ต่อชั่วโมง) จากยอดเขาสูง 3,000 เมตร สามารถเพิ่มน้ำหนักบรรทุกไปยังวงโคจรต่ำของโลกได้ถึง 80% เมื่อเทียบกับจรวดลำเดียวกันที่ปล่อยจากแท่นปล่อยแบบทั่วไป[ 6 ^{]ภูเขาที่} มีความสูงดังกล่าวมีอยู่ภายในแผ่นดินใหญ่ของสหรัฐอเมริกาเพื่อความสะดวกในการขนส่ง หรือใกล้กับเส้นศูนย์สูตรเพื่อประโยชน์เพิ่มเติมจากการหมุนของโลกในบรรดาความเป็นไปได้อื่นๆ จรวดแบบขั้นตอนเดียวขึ้นสู่วงโคจร (SSTO) ขนาดใหญ่สามารถลดมวลการปล่อยลงได้ 35% ด้วยการช่วยปล่อยดังกล่าว โดยลดจำนวนเครื่องยนต์เหลือ 4 แทนที่จะเป็น 6 ในกรณีที่พิจารณาไว้^{[ 6 ]}

ด้วยประสิทธิภาพที่คาดการณ์ไว้ใกล้เคียง 90% พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ต่อการปล่อยจรวดขนาด 500 ตันจะอยู่ที่ประมาณ 30 กิกะจูล (8,300 กิโลวัตต์ชั่วโมง) (แต่ละกิโลวัตต์ชั่วโมงมีราคาเพียงไม่กี่เซนต์ตามราคาไฟฟ้า ปัจจุบัน ในสหรัฐอเมริกา) นอกเหนือจากการสูญเสียเพิ่มเติมในการจัดเก็บพลังงาน ระบบนี้มีต้นทุนส่วนเพิ่มต่ำซึ่งส่วนใหญ่มาจากต้นทุนเงินทุนเริ่มต้น^{[ 4 ]} แม้จะเป็นสถานที่คงที่ แต่คาดว่าจะช่วยเพิ่มน้ำหนักบรรทุกสุทธิได้อย่างมากสำหรับมุมการปล่อยที่แตกต่างกันซึ่งจำเป็นสำหรับดาวเทียมต่างๆ โดยมีการบังคับจรวดในช่วงแรกของการขึ้นสู่ที่สูงหลังการปล่อย (ทางเลือกอื่นนอกเหนือจากการเพิ่มระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าสำหรับการเปลี่ยนแปลงความเอียงของวงโคจร ในภายหลัง ) ต้นทุนของรางนำทาง Maglev ประมาณการไว้ที่ 10-20 ล้านดอลลาร์ต่อไมล์ในการศึกษาปี 1994 ซึ่งคาดการณ์ว่าต้นทุนการบำรุงรักษา Maglev ต่อปีจะอยู่ที่ประมาณ 1% ของต้นทุนเงินทุน^{[ 6 ]}

ประโยชน์ของการสนับสนุนการปล่อยจรวดจากภาคพื้นดิน

การปล่อยยานด้วยจรวดช่วยให้ยานเพิ่มความเร็วและระดับความสูง โดยทั่วไปแล้วข้อเสนอต่างๆ มักเกี่ยวข้องกับทางลาดที่โค้งขึ้นไปบนภูเขาเพื่อนำยานขึ้นสู่ท้องฟ้า

ข้อได้เปรียบหลักคือการถ่ายโอนความต้องการเดลต้า-วีบางส่วนจากจรวดไปยังโครงสร้างพื้นฐานบนพื้นดิน ซึ่งอาจเป็นการแลกเปลี่ยนที่คุ้มค่าหากมีการใช้โครงสร้างพื้นฐานบนพื้นดินบ่อยพอ เนื่องจากต้นทุนการดำเนินงานของโครงสร้างพื้นฐานอาจต่ำกว่ามาก และต้นทุนการลงทุนโดยทั่วไปจะแปรผันตามกำลังสองหรือกำลังสามของเดลต้า-วีที่ ถ่ายทอด แทนที่จะเป็นเลขชี้กำลังของเดลต้า-วี^{[ 2 ]}

ข้อดีของระบบปล่อยจรวดใดๆ ที่เริ่มต้นจากระดับความสูงมาก ได้แก่ การลดแรงต้านจากแรงโน้มถ่วง (ต้นทุนในการยกเชื้อเพลิงในหลุมแรงโน้มถ่วง) อากาศที่เบาบางลงจะช่วยลดแรงต้านอากาศและทำให้รูปทรงของเครื่องยนต์มีประสิทธิภาพมากขึ้น หัวฉีดจรวดมีรูปทรงที่แตกต่างกัน (อัตราส่วนการขยายตัว) เพื่อเพิ่มแรงขับสูงสุดที่ความดันอากาศที่แตกต่างกัน (แม้ว่าเครื่องยนต์แอโรสไปค์ ของ NASA สำหรับLockheed Martin X-33ได้รับการออกแบบให้เปลี่ยนรูปทรงเพื่อให้ยังคงมีประสิทธิภาพที่ความดันต่างๆ กัน แต่เครื่องยนต์แอโรสไปค์มีน้ำหนักและความซับซ้อนเพิ่มขึ้น งบประมาณของ X-33ถูกยกเลิกในปี 2001 และประโยชน์อื่นๆ จากการช่วยปล่อยจรวดจะยังคงอยู่แม้ว่าเครื่องยนต์แอโรสไปค์จะผ่านการทดสอบการบินแล้วก็ตาม) ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]}

ตัวอย่างเช่น อากาศจะเบาบางลง 39% ที่ระดับความสูง 2500 เมตร รูปทรงของไอพ่นจรวดที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นและแรงเสียดทานอากาศที่ลดลงทำให้เครื่องยนต์มีประสิทธิภาพมากขึ้น 5% ต่อปริมาณเชื้อเพลิงที่เผาไหม้^{[ 9 ]}

ข้อดีอีกประการหนึ่งของการปล่อยจรวดที่ระดับความสูงมากคือ ไม่จำเป็นต้องลดกำลังเครื่องยนต์ลงเมื่อถึง ขีดจำกัด Q สูงสุดจรวดที่ปล่อยในชั้นบรรยากาศหนาแน่นสามารถเคลื่อนที่ได้เร็วมากจนแรงต้านอากาศอาจทำให้โครงสร้างเสียหายได้^{[ 10 ]} เครื่องยนต์จะถูกลดกำลังลงเมื่อ ถึง Q สูงสุด จนกว่าจรวดจะสูงพอที่จะกลับมาทำงานเต็มกำลังได้ จรวดAtlas V 551 เป็นตัวอย่างหนึ่งของเรื่องนี้ มันถึง Q สูงสุดที่ระดับความสูง 30,000 ฟุต เครื่องยนต์ของมันถูกลดกำลังลงเหลือ 60% ของแรงขับเป็นเวลา 30 วินาที^{[ 11 ]} การเร่งความเร็วที่ลดลงนี้จะเพิ่มแรงต้านจากแรงโน้มถ่วงที่จรวดต้องเอาชนะ นอกจากนี้ เครื่องยนต์ของยานอวกาศที่เกี่ยวข้องกับ Q สูงสุดนั้นมีความซับซ้อนมากขึ้น เนื่องจากต้องลดกำลังลงระหว่างการปล่อย

การปล่อยจรวดจากระดับความสูงมากไม่จำเป็นต้องลดกำลังเครื่องยนต์ที่ค่า Q สูงสุด เนื่องจากจรวดจะเริ่มต้นเหนือชั้นบรรยากาศที่หนาแน่นที่สุดของโลก

Debora A. Grant และ James L. Rand ใน "ระบบปล่อยจรวดโดยใช้บอลลูนช่วย – บอลลูนยกน้ำหนักมาก" ^{[ 12 ]}เขียนว่า: "มีการพิสูจน์มานานแล้วว่าจรวดที่ปล่อยจากพื้นดินซึ่งสามารถขึ้นไปได้สูงถึง 20 กิโลเมตร จะสามารถขึ้นไปได้สูงถึงเกือบ 100 กิโลเมตร หากปล่อยจากระดับความสูง 20 กิโลเมตร" พวกเขาแนะนำว่าจรวดขนาดเล็กจะถูกยกขึ้นเหนือชั้นบรรยากาศส่วนใหญ่โดยใช้บอลลูนเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาที่กล่าวถึงข้างต้น

ความเข้ากันได้กับยานปล่อยจรวดที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้

รางเลื่อนที่ให้ความช่วยเหลือในการปล่อยด้วยความเร็ว Mach 2 หรือมากกว่านั้น สามารถลดปริมาณเชื้อเพลิงในการส่งขึ้นสู่วงโคจรได้ 40% หรือมากกว่านั้น ในขณะเดียวกันก็ช่วยชดเชยน้ำหนักที่เพิ่มขึ้นเมื่อตั้งเป้าที่จะสร้างยานปล่อยที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ อย่างสมบูรณ์ รางที่ทำมุม 55° กับแนวตั้งบนภูเขาสูง จะช่วยให้ยานปล่อยที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ในขั้นตอนเดียว สามารถส่งขึ้นสู่วงโคจรได้โดยไม่ต้องใช้เทคโนโลยีใหม่^{[ 13 ]}