Вариации на тему ASSTO

[avmich]

SSTO - это "Single Stage To Orbit". То есть, выход на орбиту ракетой в одну ступень. Такую штуку провернуть возможно, но невыгодно - ПН оказывается мала. Добавление второй ступени, при всех минусах, повышает ПН настолько, что оказывается выгодным...

Тем не менее, SSTO - схема весьма простая, поэтому её рассматривают снова и снова, под разными углами. Одна из предлагаемых модификаций - облегчить старт такой ракеты относительно простой дополнительной ступенью. Схема ASSTO - Assisted SSTO - предлагает ставить SSTO-ракету на дополнительную ступень, которая разгоняет её вертикально вверх. По сравнению с обычными двухступенчатыми ракетами это невыгодно по характеристической скорости, но удобно эксплуатационно - нижняя ступень летает вверх-вниз, как правило, предлагается многоразовой; такой системе не требуются поля падения, а требуемую ХС для второй ступени можно снизить почти на 2 км/с.

Разница с точки зрения баллистики между "нижней" ступенью и нормальной первой ступенью, главным образом - в том, что "нижняя" ступень не добавляет остальной ракете горизонтальной скорости. В то время как нормальная первая ступень придаёт некоторую, оптимизированную по траектории, горизонтальную скорость. Если бы "нижняя" ступень стала бы добавлять "горизонтальную" скорость, то её основные преимущества тут же бы уменьшились - она бы стала приземляться далеко в стороне от точки старта. Ведь в конце своей работы эта "нижняя" ступень имеет солидную вертикальную скорость, и, как правило, находится уже за пределами плотных слоёв атмосферы - то есть, чтобы вернуться, её приходится пройти через вершину параболической траектории.

Нормальная первая ступень значительную долю своей ХС тратит на вертикальную скорость. Можно рассмотреть такой промежуточный вариант для "нижней" ступени - она всё же придаёт некоторую горизонтальную скорость остальной ракете, больше, чем ничего, но меньше, чем придаёт нормальная первая ступень. С тем расчётом, чтобы скомпенсировать отклонение от точки старта при возвращении - некоторым активным воздействием на траекторию при возвращении.

Такое активное воздействие может быть обеспечено аэродинамикой вспомогательных органов. Это не крылья в полном понимании - их задача не обеспечить даже планирующий полёт, а всего лишь скорректировать спуск в остальном чисто ракетной ступени в сторону старта. При достаточно большой скорости - скажем, около 1М - даже умеренная аэродинамика ступени может погасить горизонтальную скорость и придать скорость по направлению к точке старта.

Дальше возникает вопрос оптимизации. С одной стороны, чем больше горизонтальной скорости может придать нижняя ступень - тем эффективнее система в целом. С другой, при этом понадобятся и большие аэродинамические возможности.

Рассматривались ли где-нибудь такие варианты?

[mihalchuk]

Такие исследования проводились, название темы - частично многоразовая ракетно-космическая система (МРКС). Её принцип: двухступенчатый пакет, блок первой ступени возвращается к месту старта, опираясь на аэродинамические поверхности, не используя реактивную тягу. См. например С.Уманский: Ракеты-носители и космодромы. Москва, "Рестарт+", 2001 г.

[avmich]

Э, нет. Тут речь о другом варианте. Блок первой ступени с "обычной" траекторией, который возвращается на место старта с помощью развитых - относительно - аэродинамических плоскостей, а тем паче ВРД - это совсем другое, это, в частности, "Байкал". У такой ступени аэродинамика составляет существенную массу и стоимость ступени. Речь о практически чисто ракетной ступени, с коррекцией слабых боковых отклонений скромными средствами.

[Дем]

Не понял - а какая разница? Всё равно зона падения/посадки нужна. А рядом со стартом или вдали - не так уж и принципиально...

Наверно имело бы смысл просто обеспечить управляемое падение первой ступени в "заданную точку" с высокой точностью.

[Дмитрий В.]

Ну, то что предлагаетcя - это все равно 2 ступени, как не крути. А в идеале нужно использовать только 1 и технически это достижимо.

[RadioactiveRainbow]

В идеале эта одна ступень должна быть ещё и многоразовой.  :?

А что вообще считается отдельной ступенью? Любое отделяющееся устройство, сообщающее дополнительную скорость?

Вообще, имхо, есть смысл делать наоборот (почти): Первая ступень - низкотехнологичная, предельно дешевая, одноразовая (РДТТ), а Вторая - высокотехнологичная многоразовая машинка.
По идее,  разумнее спасать дорогую верхнюю ступень чем дешевую первую.
Хотя... шаттл, сделанный, фактически, по этой схеме, оказался что-то не очень дешевым...
(Кто-нибудь знает - сколько стоит запуск "шаттла" и "протона"?)
Надо было первую ступень делать покрупнее, а кораблик - поменьше...


Кстати - это правда, что блок Ц "энергии" не сгорел, а плюхнулся в Тихий океан и остался даже на плаву?

[pkl]

А может, такой вариант: многоразовая первая ступень выводится на низкую-низкую, 140-150 км орбиту, достаточную лишь для одного витка. От неё отделяется одноразовый разгоннный блок с ПН и уходит наверх. А ступень, облетев Землю, на этом же витке сходит с орбиты и садится в точке старта. А?

[Игорь Суслов]

... Схема ASSTO - Assisted SSTO - предлагает ставить SSTO-ракету на дополнительную ступень, которая разгоняет её вертикально вверх.
...
[При таком способе], ...требуемую ХС для второй ступени можно снизить почти на 2 км/с.

Это как? "В тупую" видно, что не более, чем на 1,5 км/с, в реале - еще меньше... А геморроя....
С помощью ASSTO ты хочешь добиться чего? Удешевления? ИМХО, не выйдет...

[RadioactiveRainbow]

А вот, кстати, интересный вопрос: можно ли в принципе отработать многоразовую (полностью или частично) систему настолько, чтобы её эксплуатация была дешевле одноразовых систем?

Имхо - надо попытаться обойтись двумя ступенями.
Первая - РДТТ - одноразовая (ибо сравнительно дешевая - нах париться со спасением), рагзоняющая КК до 4-6км/с
Вторая - собственно, КК. Дорогой, но очень многоразовый, разгоняющийся до 8 км/с.
Мне почему-то кажется - это будет правильно. Если, конечно, КК не придётся перебирать по винтику между полётами - тогда надо поподробнее посмотреть...

Что, вообще, нужно, чтобы предельно сократить межполётную подготовку корабля?

[avmich]

Не понял - а какая разница? Всё равно зона падения/посадки нужна. А рядом со стартом или вдали - не так уж и принципиально...

С точки зрения оплаты за площади отчуждения - разница есть. Так Вам нужно платить за отдельные площади, куда ступени падать будут, помимо площадей космодрома - а так нет.

А бывает, что поля падения на территории других государств.

[avmich]

Ну, то что предлагаетcя - это все равно 2 ступени, как не крути.

Всё-таки две ступени бывают разные - и по ХС, и по управлению, и по графику динамических нагрузок, и т.п.

А в идеале нужно использовать только 1 и технически это достижимо.

В идеале - тут, пожалуйста, уточните, в каком. В экономическом?

Это достижимо технически, конечно. Вот выгодно ли экономически - это вопрос. Может быть, чистый одноступенник и будет выгоднее (Вы не про схему Х-33 говорите?). А может, и не будет, в обозримом будущем.

[avmich]

... Схема ASSTO - Assisted SSTO - предлагает ставить SSTO-ракету на дополнительную ступень, которая разгоняет её вертикально вверх.
...
[При таком способе], ...требуемую ХС для второй ступени можно снизить почти на 2 км/с.

Это как? "В тупую" видно, что не более, чем на 1,5 км/с, в реале - еще меньше... А геморроя....
С помощью ASSTO ты хочешь добиться чего? Удешевления? ИМХО, не выйдет...

Ну, на пальцах, прикидки такие. ХС для "нормальных" ракет, от Земли до орбиты - 9,3 км/с. Допустим, первая ступень разгоняет "вверх" вторую так, что второй остаётся только добавлять горизонтальную скорость. При этом, если итоговая орбита оказывается эллипсом (скажем, 800 км апогей, 140 км перигей), и выход на неё вблизи апогея, то требуемая горизонтальная скорость может быть в районе 7,5 км/с. Вот и разница 1,8 км/с.

Комментарии приветствуются :) .

[mihalchuk]

avmich:

Э, нет. Тут речь о другом варианте. Блок первой ступени с "обычной" траекторией, который возвращается на место старта с помощью развитых - относительно - аэродинамических плоскостей, а тем паче ВРД - это совсем другое, это, в частности, "Байкал". У такой ступени аэродинамика составляет существенную массу и стоимость ступени. Речь о практически чисто ракетной ступени, с коррекцией слабых боковых отклонений скромными средствами.

Что даст вертикальный разгон? Первая КС у земли - 7,91 км/с, на высоте 200 км - 7,79 км/с. Для 2-й ступени выигрышем ХС даже километр/с и не пахнет, зато во время вертикального подъёма большие гравитационные потери. Смысл такого ускорителя в следующем: небольшой начальный разгон позволит уменьшить тяговооружённость второй ступени (до .. 20%), уменьшить гравитационные потери (если стартовый ускоритель - мощный), увеличить степень расширения сопел на второй ступени (имеет смысл, если она не регулируется). При этом сразу просматривается: сам аппарат дорогой, а ускоритель - дешёвый. Если запускать ДУ 2-й ступени на высоте, то в случае незапуска аппарат теряется, т. е., ускоритель, который даёт не так много, может стать причиной потери всего. Отсюда при ваших условиях однозначное решение: SSTO стартует с земли, имея вспомогательные ТТУ, работающие до высоты около километра. Рассматривались ли такие варианты? Скорее всего - да, но не афишировались по следующей причине: проблема сделать SSTO, а мелкие боковушки всегда можно навесить.

pkl:

А может, такой вариант: многоразовая первая ступень выводится на низкую-низкую, 140-150 км орбиту, достаточную лишь для одного витка. От неё отделяется одноразовый разгоннный блок с ПН и уходит наверх. А ступень, облетев Землю, на этом же витке сходит с орбиты и садится в точке старта. А?

Это вариант Константина Феоктистова, никем не поддержанный.

RadioactiveRainbow:

А вот, кстати, интересный вопрос: можно ли в принципе отработать многоразовую (полностью или частично) систему настолько, чтобы её эксплуатация была дешевле одноразовых систем?

Очень даже можно. Вопрос окупаемости - не технический, всё упирается в интенсивность эксплуатации.

[avmich]

Что даст вертикальный разгон?

Давайте попробую объяснить. Ракета, выходящая на орбиту в одну ступень, должна иметь ХС этой ступени ориентировочно 9,3 км/с. А ракета, выходящая на орбиту с помощью "вертикальной" ступени, должна иметь, не считая вертикальной ступени, ХС, скажем, 7,5 км/с. Разница ХС - примерно 1,8 км/с - приводит к упрощению и удешевлению ракеты.

Теперь давайте такую ракету, с "вертикальной" ступенью, сравним с обычной двухступенчатой. В этом случае у ASSTO есть то преимущество, что у неё отсутствуют требуемые поля падения. И все связанные с этим проблемы. Коих немало.

Первая КС у земли - 7,91 км/с, на высоте 200 км - 7,79 км/с. Для 2-й ступени выигрышем ХС даже километр/с и не пахнет, зато во время вертикального подъёма большие гравитационные потери.

Если посчитать, то вторая ступень ASSTO имеет заметно меньшую требуемую ХС, чем SSTO. Это и есть выигрыш схемы ASSTO по сравнению со схемой SSTO.

Если запускать ДУ 2-й ступени на высоте, то в случае незапуска аппарат теряется, т. е., ускоритель, который даёт не так много, может стать причиной потери всего.

Предполагается, что надёжность ДУ "орбитальной" ступени очень высока - скажем, одно несрабатывание на 10-100 тысяч полётов.

Отсюда при ваших условиях однозначное решение: SSTO стартует с земли, имея вспомогательные ТТУ, работающие до высоты около километра. Рассматривались ли такие варианты?

ТТУ существенно менее удобны, чем ускорители на ЖРД, при многократном, частом использовании. Вся схема ASSTO рассматривается в свете такого использования...

Скорее всего - да, но не афишировались по следующей причине: проблема сделать SSTO, а мелкие боковушки всегда можно навесить.

SSTO сделать действительно сложно. А вторую ступень для ASSTO действительно проще. Это хорошо описано в недавно вышедшей книге "The Rocket Company".

[RadioactiveRainbow]

ТТУ существенно менее удобны, чем ускорители на ЖРД, при многократном, частом использовании. Вся схема ASSTO рассматривается в свете такого использования...

Не могли бы вы пояснить - почему ТТУ менее удобны по сравнению с ЖРД-ускорителями?

[mihalchuk]

avmich:  

Давайте попробую объяснить. Ракета, выходящая на орбиту в одну ступень, должна иметь ХС этой ступени ориентировочно 9,3 км/с. А ракета, выходящая на орбиту с помощью "вертикальной" ступени, должна иметь, не считая вертикальной ступени, ХС, скажем, 7,5 км/с. Разница ХС - примерно 1,8 км/с - приводит к упрощению и удешевлению ракеты.

Откуда возьмётся 1,8 км/с? ХС=1-я космическая + гравитационные потери + аэродинамич. потери + прочие потери. Если  закинуть SSTO вертикально вверх достаточно высоко, то можно разгоняться горизонтальным ускорением, и тогда гравитационных потерь почти не будет. На большой высоте не будет и сопротивления воздуха. Это всё километров за 80. Но, если смириться с умеренными потерями, можно предположить высоту и 40 км. Теперь посчитайте, какой должна быть ступень, забрасывающая SSTO на 40 км и гравитационные потери (gt, t - время работы двигателя ступени). Идеальной была бы пушка, ТТУ может обеспечить большое ускорение, а для жидкостной ступени считайте начальную тяговооружённость 1,6.

[avmich]

ТТУ существенно менее удобны, чем ускорители на ЖРД, при многократном, частом использовании. Вся схема ASSTO рассматривается в свете такого использования...

Не могли бы вы пояснить - почему ТТУ менее удобны по сравнению с ЖРД-ускорителями?

"Частое использование" в данном случае подразумевается как "несколько раз в день", примерно соответствуя полётам авиалайнеров. Сразу предупрежу, я знаю, что сегодня такого нет и в ближайшие несколько лет не предвидится :) . В случае использования аппаратов с такой частотой заправка топливом выглядит (на мой взгляд, намного) более простой, чем заправка твердотопливными зарядами.

[avmich]

avmich:  

Давайте попробую объяснить. Ракета, выходящая на орбиту в одну ступень, должна иметь ХС этой ступени ориентировочно 9,3 км/с. А ракета, выходящая на орбиту с помощью "вертикальной" ступени, должна иметь, не считая вертикальной ступени, ХС, скажем, 7,5 км/с. Разница ХС - примерно 1,8 км/с - приводит к упрощению и удешевлению ракеты.

Откуда возьмётся 1,8 км/с?

9,3 - 7,5 = 1,8 . Надеюсь, по этому равенству вопросов не будет. Другое дело, что здесь 9,3, а что - 7,5.

Это - ХС двух одноступенчатых ракет, выходящих на орбиту. Первая стартует с поверхности Земли, вторая - со вспомогательной ступени, которая придаёт ей начальную вертикальную скорость и поднимает на некоторую высоту.

Смысл здесь - в том, что проще сделать ступень, которая набирает 7,5 км/с ХС, чем ту, которая набирает 9,3 км/с ХС. И заметно проще, если ещё и заботиться об относительной массе ПН. В то же время разгонная, "вертикальная" ступень имеет относительно скромные требуемые параметры. Примерно та же логика, почему летают двухступенчатые, а не одноступенчатые ракеты.

ХС=1-я космическая + гравитационные потери + аэродинамич. потери + прочие потери.

Согласен.

Если  закинуть SSTO вертикально вверх достаточно высоко, то можно разгоняться горизонтальным ускорением, и тогда гравитационных потерь почти не будет. На большой высоте не будет и сопротивления воздуха.

Согласен.

Это всё километров за 80.

Километров за 30. Плотность воздуха там уже - всего проценты от наземной, вакуумные сопла работают нормально, сопротивление воздуха невелико - и быстро падает, так как у аппарата большая вертикальная скорость.

Но, если смириться с умеренными потерями, можно предположить высоту и 40 км. Теперь посчитайте, какой должна быть ступень, забрасывающая SSTO на 40 км и гравитационные потери (gt, t - время работы двигателя ступени).

Считал, конечно. Ничего особенного, первые ступени ракет обычно предъявляют требования пожёстче.

Идеальной была бы пушка, ТТУ может обеспечить большое ускорение, а для жидкостной ступени считайте начальную тяговооружённость 1,6.

В данном случае можно позволить себе стартовую тяговооружённость и побольше, скажем, 2. Ещё и профилем тяги поуправлять. Резервы есть.

[mihalchuk]

avmich:

9,3 - 7,5 = 1,8 . Надеюсь, по этому равенству вопросов не будет.

Не уверен. Носители летят по оптимальной траектории, строго вертикальный старт - неоптимальная. Здесь общая ХС будет больше.

Другое дело, что здесь 9,3, а что - 7,5.
Это - ХС двух одноступенчатых ракет, выходящих на орбиту. Первая стартует с поверхности Земли, вторая - со вспомогательной ступени, которая придаёт ей начальную вертикальную скорость и поднимает на некоторую высоту.

Непонятно, как ступень с ХС 7,5 км/с наберёт первую космическую скорость.

Километров за 30

На 30 км при горизонтальном разгоне ступень разогнаться не успеет и упадёт в плотные слои атмосферы со всеми вытекающими. Если поддерживать высоту - добавьте гравитационные потери.

Считал, конечно. Ничего особенного, первые ступени ракет обычно предъявляют требования пожёстче.

Какая относительная масса 1-й ступени?

[Bell]

Информация к размышлению

1-е ступени нормальный РН разгоняют остальные приемрно до 1,5 км/с (т.е. именно столько, сколько вы хотите от бустерной степни АССТО).

Но при этом они составляют 65-75% общей стартовой массы РН...  :roll: