空中発射された宇宙機は脱出速度に達することができますか？

Ariane 5のようなロケットの重量は数百トンですが、その重量の約85％が燃料であるため、ペイロードの割合は約3％（約10〜20トン）です。

Virgin Galacticは、主に観光目的で軌道下の宇宙機を構築しています。彼らはマッハ4あたりで飛行し、地球を脱出するには遅すぎます。

さて、次の20年間で空中発射される宇宙船は、実際に私たちを本当に月まで飛ばすことができるのでしょうか。つまり、彼らは脱出速度に到達できるのでしょうか。

彼らができる場合の副次的な質問として：それらはサターンVのような標準的なロケットより多かれ少なかれ燃料効率が良いでしょうか？どのくらいのペイロードが現実的に輸送可能でしょうか？

信じられないかもしれませんが、政府の資金が直前のプロジェクトから引き出されていなければ、50年前にこれを行うことができたでしょう。苛立たしいことに、科学者、エンジニア、技術者による長年の作業の後、ボーイングX-20 Dyna-Soarプロジェクトは、実際の宇宙船の作業が始まった直後にキャンセルされました。

ここだ X-20のアーティストの印象は：

X-20は、爆撃と偵察に使用する軌道宇宙機の開発を目的とした軍事計画の結果です。それは軌道に打ち上げられ、しばらくそこに留まるように設計されました。理論的には、その小さいサイズにもかかわらず、長さはわずか35フィートです-打ち上げ後は軌道速度に達します。滑空試験中になんとかマッハ18に到達した。

X-20は空中発射するようには設計されていませんが、Titan IIIミサイルの上に発射されます。ただし、X-20の前身である類似のデザインであるBomi は、このように起動するように設計されています。ここでは、Bomi（左側）、X-20（右側の2つ）、および関連プロジェクトであるRoboの比較です。$^1$

_{（ソース：astronautix.com）}

Bomiには2つのバージョンがありました：マッハ4の最大速度を持つサブ軌道のものと、まあ、軌道速度という最高速度を持つ軌道のものです。後者はおそらくあなたが興味を持っているものでしょう。それは長さが23フィートで、ペイロードは34,000キログラムでした-2つの核爆弾に十分です。

どちらのバージョンも、なんらかのランチャー（Bomiが取り付けられていることが示されているより大きな車両）で起動されます。この設計はまた、飛行が軌道であるか副軌道であるかに応じて変更される可能性があります。

Dyna-Soar（X-20）への資金提供が停止されたため、ボミは最終的にキャンセルされ、同じ運命をたどりました。しかし、Dyna-Soarはグライドテストステージ（B-52から落とされた）を通過し、ほぼ実際に宇宙に運ばれました。リソースがBomiに移動されていれば、成功した可能性があります。

ボミは地球軌道を脱出しただろうか？少しの作業で、それは可能性があります。さまざまなロケットファミリーがどのように進化したかを考えてみてください。異なるタイプは異なる使命を果たすことができます。土星Vは、小型の準軌道および軌道ロケットの最終結果でした。ボミがアポロ計画の範囲で開発されていたとしたら、地球軌道から外れた可能性が非常に高いと思います。

$^1$ここに記載されているように、この画像はパブリックドメインにあるようです。

さて、次の20年間で空中発射される宇宙船は、実際に私たちを本当に月まで飛ばすことができるのでしょうか。つまり、彼らは脱出速度に到達できるのでしょうか。

• LEOへの空中発射：完了

• 月軌道への空中発射-はい、ただしLEOペイロードの20％-25％

• 月への空中発射とLEOへの戻り：はい、ただしLEOペイロードの約5％

• 紙ベースのシステムに熱狂すると、いくつかの実用的な現実を見落としがちです。
  空から発射された車両の質量と翼のある母艦への帰還母艦の質量の比率を見落としてはいけません。母艦サイズは、宇宙船の質量の上限を設定します。重量物を超える航空機のペイロード質量を超える増加は、たとえばバルーンを使用して可能である可能性がありますが、これにはいくつかの非常に特殊なシステムが必要です。下の図を見ると、有人の月面が地表に戻るのは、空中発射システムに対して非現実的に高い期待であるように見えます。月周回軌道への小さな無人クラフトは実用的です。

答えは「はい、明らかに」です。これは、通常使用されるよりも小さい月面ランチャーを構築でき、それを空中発射するための手段を構築できると考えられるためです。たとえば、バルーンの打ち上げは非常に大きな質量を可能にし、さまざまな研究で提案されてきました。

一般的な概念の存在証明は、いくつかの「Orbital Sciences Corporation」の空中発射軌道車両の形で提供されます。これらは、LEO（低地球軌道）の挿入にのみ使用されますが、適切な小さなペイロードであれば、脱出速度を実現できます。

以下の資料は、既存の小型の空中発射LEO衛星発射装置と、2013年のOrbital Sciences、Burt RutanおよびPaul Allenの提案に基づいて、現実的に達成できることの例を示しています。

これは、重要な空中発射が月の軌道に約800〜1000ポンドを届けることができることを示しています-最先端の燃料とシステム、またはより大きな「母艦」でさえ。これは、実際に1人を月の軌道に乗せて戻したいものよりも不快に小さくなります。スケーリングは可能ですが、複数人での月帰りフライトには魅力的ではありません。

空中発射の利点は、高度の上昇そのものではなく、空気抵抗の減少による大幅な増加と、速度の小さな増加です。空中発射速度は軌道速度のごく一部ですが、地上ベースのランチャーは重力に対して最大質量をサポートしながら初期速度を追加する必要があります。これは、空気抵抗の損失と比較するとわずかですが、有用です。空気抵抗は約半分15,000フィートごとに、抗力は空気密度に反比例します。そして、抗力は二乗された速度に比例します。したがって、ゆっくりと速く始めることができれば、大幅に役立ちます。最終的には、軌道に到達するための非常に大きな「水平」速度が必要になりますが、最初は、最小限の損失で厚い下層大気から立ち上がることが非常に重要です。「母性」は翼と空気呼吸エンジンを備えており、燃料を高高度と高速に運ぶコストと比較して安価であるため、空中発射システムは、合理的に構築することが可能な状況でロケットのコストと能力を向上させます。十分に大きな「母性」。小さいLEOペイロードの場合、それは非常に実行可能（そして使用されます）、非常に小さい一方向の月ペイロードの場合は実行可能ですが、月帰りの場合は、

これは、XLシステム「ペガサス」の空中発射のビデオです。これは、打ち上げ直前からステージ1のバーンアウトまでのアクションを示しています。

2013年5月のこの機能の「次の段階」をここに示します。
Stratolaunch and Orbital – The Height of Air Launch。これが最近のイベントによってどのように変更されたかはわかりませんが、これは2013年に計画されていたものを示しているため、あなたの質問に関連しています。

このランチャーは、LEOに13,500ポンドのペイロードを提案しました。
それは広大ではありませんが、確かに有用なペイロードを提供します

ミッションへの相対的なデルタVと燃料要件の割り当ては複雑すぎて、特定の例を超える単純な答えを出すことはできませんが、本当に大まかな目安として、LEOから月軌道への「デルタV」は、地表からLEOに到達するために必要なもの。次の表は、さまざまな軌道および位置の遷移に必要な速度の変化を示しています。これにより、LEOから月軌道に必要なデルタVとして3.9 km / sが得られます。

ロケットの速度変化を計算するための基本的な公式は、（当然のことながら）「ロケット方程式：-

• V = Isp xgx ln（M2 / M1）

  Isp =燃料の固有インパルス
  M2 =開始質量
  M1 =終了質量g =重力定数（~~ = 10 m / s / s）

M2 / M1 =質量比= MRを呼び出します。

現代の標準による控えめなIsp 300を使用して、たとえば4000 m / SのデルタVを生成するには、MRが約3.7または最終質量〜= 1 / 3.7 =合計の27％が必要です。
したがって、上記の13,500ポンドの25％が月の軌道に届く可能性があります
=〜3375ポンド= 1.5トン
〜= 1.5トン:-)

これは今度は約840ポンドをLEOに戻し、それよりも少ない量を地球に戻すことができます。以下の表は、このデルフト大学のページからのものです

関連：

リンク付きペガサスランチャーの写真

OSCペガサス -1990年以来44の打ち上げ。

ペガサスXL -LEOに443 kg、月軌道に約100 kg。

NASAペガサスミッション2014

OSC Facebookページ

内部システムのデルタVチャート

** Wikipediaから-Delta-v予算
で、このスタック交換投稿でも使用されています

ロケットの飛行経路を想定してメンタルモデルを開始します。スペースシャトルの速度/高度対時間チャート：

_{（ソース：aerospaceweb.org）}

$Isp$

代わりにF-414を使用しましょう。費用は約400万ドルで、適切に設計されたインレットでマッハ2程度まで使用できます。速度は、アフターバーナーラムジェットスタイルに供給するラム圧力の開発に役立ちます。400 万ドル以上の燃焼で26,000ポンドの推力が得られますが、恒星ではありません。我々はないですので、ロケットは我々だリフティングはまだ、巨大なければならないことを、まだうまくオフ。

$Isp$

したがって、空気呼吸エンジンは1ドルあたりの推力が1トンも発生せず、低速範囲になります。翼は約16：1の速度で上昇するため、エンジンを使用してゆっくりと加速し、40,000フィートとマッハ1まで飛行できます。これは、最終速度の約25分の1であるため、ロケットの重量を節約できません。そしてドラッグの1分。たとえば、重量を20％削減し、900,000ポンドしか運ぶ必要がないとします。

747-8は308,000lbの貨物を運び、約$ 350,000,000の費用がかかります。コストと貨物のスケールが線形であるとしましょう。少なくとも700,000,000 ドルのランチャーを検討しています。これは、5,400 万ドルとはかなり異なり、ローンチの数に応じて償却されますが、開発コストも747-8では$でした。 37億。繰り返しますが、線形にスケーリングする場合、多数のローンチに分散するには約80 億ドルが必要です。SpaceXは最近、GoogleとFidoから10億ドルを調達しましたが、十分ではありません。

空気呼吸航空機で発射ペイロードのジレンマがあります。ゼロ速度で推力を発生させる、はるかに安価で推力が高く、重量比の高いジェットエンジンが必要か、ロケットに戻ってULAやSpaceXなどの回復技術が開発されています。

多くの人は、ますます増加する速度でより長い空気呼吸の飛行経路を想定しようとしましたが、スクラムジェット、プレクーラー、熱管理を使い始め、それが小さくなったり、十分に大きなエンベロープで実行したり、十分な速度に達したりすることはありません。とにかく最終的なロケットの問題です。