Warum startet Spaceship Two aus der Luft?
Nun kann man die Frage einfach beantworten. Weil die Vorteile überwiegen. Doch betrachten wir es genauer. Nehmen wir zuerst einmal eine suborbitale Mission als Vergleich:
Wir starten hier typischerweise eine Kapsel auf einer Rakete, die dann nach dem Suborbitalen „Hüpfer“ geborgen wird. Das macht zum Einen zumindest eine minimale Startrampe nötig und ein evakuiertes Landegebiet, idealerweise im Meer. Ein Flugzeug das landen kann, und daher leichter wiederverwendet werden kann, ist zwar auch von einer Rakete startbar, doch unterscheidet sich die aerodynamische Belastung durch den Start am Boden. Während Spaceship Two bei Unterschallgeschwindigkeit in 15 km Höhe abgeworfen wird, erreicht eine Rakete die Überschallgeschwindigkeit schon in niedrigerer Höhe. Dadurch wird die Struktur, aber auch Formgebung anders, sein. Ob es unbedingt schwerer wird, muss eine genaue Betrachtung zeigen, weil andere Belastungen wie die durch das Raketentriebwerk oder bei dem Wiedereintritt natürlich auch eine Rolle spielen.
Ich denke dass der logistische Vorteil – kein Startplatz wird benötigt. Start jederzeit von einem Flugplatz aus – der Hauptvorteil ist. wer Tourismus wirklich anbieten will, der ist darauf hingewiesen, dass die Leute möglichst einfach in den Orbit kommen.
So nun zu den energetischen Vorteilen:
- Der Start in 15 km Höhe reduziert die Geschwindigkeit um 110 km Gipfelhöhe zu erreichen. Dies ist als einzige Größe exakt berechenbar, da es eine Differenz der potentiellen Energie im Gravitationsfeld ist. Die Differenz entspricht einem Energieunterschied von 137235 J/kg Masse oder in Geschwindigkeit umgerechnet: 1457 m/s zu 1.360 m/s, also rund 100 m/s weniger.
- Die aerodynamischen Verluste sind geringer. Dies ist sehr schwer abzuschätzen. Bei Raketen liegt je nach Anfangsgeschwindigkeit in einer Höhe von 15 km die Zone rund um den Max-Q, also der maximalen aerodynamischen Belastung. Die Rakete ist dann schon überschallschnell. Ein Shuttle hat z.B. hier schon eine Geschwindigkeit von rund 500 m/s. Danach sinken diese trotz steigender Geschwindigkeit rasch ab, da nun die Luft schnell dünner wird. Andererseits ist die Form von SpaceShip Two nicht mit einer Rakete zu vergleichen und sie würde bei senkrechtem Aufstieg erheblich höhere Widerstandswerte aufweisen. Durch die Flügel kann aber bei einem schrägen Aufstieg, wie er ja vorliegt sogar noch der Auftrieb durch die Flügelform in der unteren Atmosphäre genutzt werden. Dies scheint bei SpaceShip 2 der Fall zu sein, denn wenn sie in 30 km Höhe Brnnschluss hat dann ist sie nur 1.070 anstatt 1.360 m/s schnell wie es bei einem Start in 15 km Höhe nötig wäre. Nimmt man an, dass rund 50% des Luftwiederstands eingespart werden, so sind dies weitere 70 m/s weniger als ein Start vom Erdboden aus.
- geringere Gravitationsverluste: die niedrigere Brennzeit um die Endgeschwindigkeit zu erreichen (es werden ja 170 m/s weniger Endgeschwindigkeit benötigt) bedingt bei einer durchschnittlichen Beschleunigung von 3,5 g eine Reduktion der Gravitationsverluste um 50 m/s
- höherer spezifischer Impuls: Der Außendruck in 15 km Höhe liegt unter 150 mbar. Ein Antrieb, dessen Düsenmündungsdruck nun doppelt so hoch wie beim Erdboden liegt ist daher erheblich effektiver. Ich habe dies mal mit der angegebenen Treibstoffkombination Lachgas (N2O)/Kunststoff (CH2)n simuliert. Je nach Mischungsverhältnis liegt der spezifische Impuls um 320 bis 410 m/s höher und zwar um so besser je mehr man sich dem idealen Mischungsverhältnis nähert.
Zusammengefasst: Ein Lachgas Kunststoff antrieb mit 30 Bar Brennkammerdruck und einem spezifischen Impuls von 1850 m/s (2 Bar Düsenmündungsdruck) der 2236 m/s erreichen muss (vom Boden aus) benötigt einen Treibstoffanteil von 70,1% (das entspricht obigen Werten bei 3,5 g mittlerer Beschleunigung 1.457 m/s Geschwindigkeit in senkrechter Beschleunigung und 140 m/s Luftwiderstandsverluste).
Derselbe Antrieb, der in 15 km höhe startet und nur 2002 m/s erreichen muss und bei einem Düsenmündungsdruck von 0,3 Bar arbeitet (spezifischer Impuls 2.360 m/s) benötigt nur einen Treibstoffanteil von 57,2%. Das Gefährt kann also bei gleichem Startgewicht erheblich schwerer sein, eine größere Passagierkabine mitführen. Der Gewinn wird etwas kleiner sein, da der spezifische Impuls auch beim ersten Antrieb noch etwas ansteigt wenn die Rakete an Höhe gewinnt, aber der Vorteil ist offensichtlich. Der Gewinn wird um so höher je schlechter der Antrieb ist, also je kleiner der Brennkammerdruck ist. Leider fand ich außer der Treibstoffkombination hier keine konkreten Daten, sodass ich hier die FCEA Simulation der NASA mit theoretischen Werten genommen habe.
Es lohnt sich also definitiv für Spaceship one/two. Nun der Sprung zu einer Orbitalgeschwindigkeit
Der Gewinn bleibt, nur ist die Auswirkung kleiner. Eine Rakete muss insgesamt rund 9.000 bis 10.000 m/s erreichen um in einen Orbit einzuschwenken (abhängig vom Aufstiegsprofil und Raketentyp). Dann machen die rund 250 m/s Geschwindigkeitseinsparung fast nichts aus. Es sind nur noch 2% der Gesamtgeschwindigkeit anstatt 12%. Auch der höhere spezifische Impuls ist nur von geringer Bedeutung, weil zum einen dort leistungsfähigere Kombinationen eingesetzt werden mit geringerem Gewinn beim spezifischen Impuls und nur bei der ersten Stufe. Zudem gibt es heute Technologien die Düse während des Flugs zu verlängern und sich so dem Umgebungsdruck anzupassen, sodass der Start bei niedrigem Ausgangsdruck nur einen Gewinn für die rund ersten 50 s von typischerweise 500 s Antriebsphase bringt.
Demgegenüber steht, dass die Konstruktion mit Flügeln die Nutzlast erniedrigt, die bei Oribtalmissionen nur noch einige Prozent der Startmasse ausmacht, zudem muss dann noch wenn der Landeteil geflügelt ist auch ein Hitzeschutzschild mitgeführt werden. Vor allem gibt es aber nicht Flugzeuge, die eine Rakete die mehrere Hundert Tonnen wiegt (und so schwer sind die Raketen wenn man einige Tonnen in den Orbit befördern will). Es ist also keine Lösung für orbitale Flüge.
Es könnte sein, dass dem Start mit dem Flugzeug wieder etwas mehr Aufmerksamkeit zukommt, wenn die FAA tatsächlich einen Preis für die Entwicklung eines Trägersystems für Nanosatelliten (1-5kg Nutzlast) ausschreibt.
Dann könnte der suborbitale Flug „huckepack“ auf SpaceShipTwo oder Lynx (für den man soetwas vorgeschlagen hat) die erste Raketenstufe fast ersetzen.
Wenn man einmal den Angaben von XCOR, dass der Lynx Mark II eine zusätzliche Nutzlast von 650kg transportieren kann, glaubt, dann könnten zwei weitere Stufen knapp 10kg in den Orbit bringen können. Aber dazu muss erstmal der Lynx Mark I fliegen …
Frage: Ich bin bei einem restlichen delta-v von 7500m/s auf eine etwa 550kg schwere erste Stufe mit 50kg Leermasse gekommen (2950m/s Austrittsgeschwindigkeit) und 90kg für die zweite, mit etwa 70kg Treibstoff und 10kg Leermasse. Stimmt wenigstens die Größenordnung? Mir kommt das Gewichtsverhältnis zwischen den beiden Stufen etwas groß vor. Ich muss mir wohl bei Gelegenheit den Artikel zur Optimierung der Stufen einmal genauer durchlesen.
Ich bringe hier noch mal die Dritte Art des menschlichen Verlassens der Erdoberfläche ein:
Unweit der Pazifikküste am Äquator nimmt ein gewaltiges Bauwerk seinen Lauf: Eine Vakuumröhre, die schnurgerade Richtung Osten aufsteigt und in den Gipfeln der Anden in 5500m Höhe ihre Mündung hat. Im Inneren beschleunigen Magnetfelder gespeist durch Kraftwerke und Millionen von Ultracaps das Projektil, das an der Mündung rund 1000m/s erreicht. Nachdem das Projektil die pyrotechnisch gesprengte Membran durchdrungen hat, sorgt ein Staustrahltriebwerk (Ramjet) zusammen mit Stummelflügeln für einen Höhengewinn von 25km und eine Geschwindigkeit von 3000m/s. Somit wird schon mal der Oxidator eingespart. (die Brenndauer des Ramjets kann verlängert werden, indem ab 20km Höhe zunehmend Lachgas als Oxidator beigemischt wird) Ab da zündet das einzige Raketentriebwerk, ein billiges Feststofftriebwerk, was beim zunehmend verschwindenden Luftwiderstand rasch Orbitalgeschwindigkeit erreicht.
Durchmesser des Projektils 3m, Nutzlast 4t.
Das ist meine Vision von einem gescheiten Weltraumbahnhof mit ökonomischerweise 5 Starts pro Tag, weitgehend wetterunabhängig. Durch synchrone Starts werden größere Objekte (Marsraumschiffe etc) einfach im Orbit modular zusammengefügt.
Also 2.950 m/s sind für ein feststofftriebwerk relativ viel und flüssige Stufen haben nicht bei kleinen Größen die von Dir angegebenen Leermassen.
Ich errechne eine V von 8920 m/s, was bei einem Start von der Luft aus schon ohne Starship Two ausreichen würde.
Bei 10 kg Nutzlast, V=7.500 m/s. Voll/Leermasse von 1:10 bei beiden Stufen und 2.850 m/s spezifischem Impuls komme ich auf
45 kg / 4,5 kg zweite Stufe und
238 kg / 24 kg zweite Stufe
Das sind auch optimierte Stufen….
Zu Verkehrsvision:
Eine „billige“ Feststoffoberstufe die noch die restlichen 4.800 m/s aufbringt wiegt für 4 t Nutzlast bei obigen Randdaten immerhin noch 40 t …. Dazu kommt noch der Ramjet für die erste Stufe dass sind dann leicht 100 t und dass auf 1.000 m/s magnetisch beschleunigt? Das sind rund 50 GJ kinetische Energie….
Dann mache ich da noch irgendeinen groben Fehler. Danke für die Rückmeldung.
Zitat: „Vor allem gibt es aber nicht Flugzeuge, die eine Rakete die mehrere Hundert Tonnen wiegt (und so schwer sind die Raketen wenn man einige Tonnen in den Orbit befördern will)“
Teilweise Einspruch: Zumindest gibt es mit der russischen An-225 (mithin das größte Flugzeug der Welt, wohingegen der A380 nur das größte Passagierflugzeug der Welt ist) ein Frachtflugzeug, das folgende Rekorde aufstellte:
– Ölpipeline-Ausrüstung mit einem Gewicht von 247 t auf einem Flug von Prag nach Taschkent am 16. Juni 2004.
– Schwerstes einzelnes Frachtstück. Es handelt sich um einen ca. 190 Tonnen schweren Generator für ein Gaskraftwerk, der am 11. August 2009 mit der An-225 vom Flughafen Frankfurt-Hahn nach Armenien transportiert wurde.
Quelle: Wikipedia
Grundsätzlich gibt es also Großflugzeuge, die die Masse eine ausgewachsene Trägerrakete in eine äquatoriale Start“bahn“ mit 220m/s Ostrichtung und 10km Starthöhe bringen können.
Die andere Frage ist, ob es technisch möglich und sinnvoll ist, ein Großflugzeug für eine so gewaltige Außenlast wie eine Trägerrakete zu konstruieren. Das würde eine völlige Neukonstruktion bedeuten. Abgesehen davon daß eine fliegende Startrampe für eine Großrakete mit LOx & Co insgesamt technisch anspruchsvoller ist.
Bernd, jetzt habe ich aber noch eine Frage zu deinen interessante Aufzählungen des Geschwindigkeitsvorteils von SpaceShip1/2:
Mir scheint, du vernachlässigst einen weiteren interessanten Effekt, der nur beim Start aus der Luft von einem Trägerflugzeug aus möglich ist:
1.) Das Flugzeug kann die ideale geographische Breite für einen Raketenstartplatz ansteuern: den Äquator. IMHO existiert kein Weltraumbahnhof auf der Erde direkt auf dem Äquator.
2.) Das Flugzeug kann im Augenblick des Raketenstarts mit Maximalgeschwindigkeit einen exakten Ostkurs fliegen. Dann summieren sich Umfangsgeschwindigkeit der Erde am Äquator und Fluggeschwindigkeit zu 440m/s 220m/s = 660m/s Geschwindigkeitsvorschuß.
Zuletzt zu meiner Vakuumröhre: Ich halte daran fest, auch wenn wir die Röhre noch optimieren müssen und auch bei der Nutzlast Abstriche machen müssen 🙂
1: Existiert: Sea Launch Plattform
Der Unterschied zu Kourou ist zudem vernachlässigbar gering
2: Alle Raketen die GTO Bahnen ansteuern fliegen nach Osten und profitieren von dem Geschwindigkeitsgewinn, nur wird er immer kleiner je weiter man nördlich kommt. Zwischen Kourou und dem Äquator sind es nur 2 m/s Unterschied….
Ich habe mir noch mal den Wikipedia-Artikel über SpaceShip Two durchgelesen. Zunächst wollte ich das Design des Trägerflugzeuges WitheKnight studieren, um zu sehen, welche Gestalt die An-225 als fliegende Startrampe für eine große Trägerrakete annehmen müßte. Statt des Doppelrumpfes von WhiteKnighte würde ich wohl die Triebwerksgondeln der mittleren Triebwerke 10m nach unten verlängern in Form zweier langgestreckter aerodynamischer Beine, um dort die Hauptfahrwerke unterzubringen. Der große Rumpf der An-225 entfällt komplett, und die Pilotenkanzel wird in der Tragflügelwurzel untergebracht. Das Bugfahrwerk zum Start muß an der Nutzlastverkleidung der Trägerrakete angebracht werden (da die Rakete die Stelle des früheren Rumpfes der An-225 einnimmt) und wird nach dem Start abgeworfen.
Das Bugfahrwerk zur Landung wird an einem 10m langen Ausleger ausgeklappt, dessen Gelenk sich unter der Pilotenkanzel befindet.
Der Mehrwert eines solchen Spezialtransporters für große Außenlasten wäre erstaunlich: Man könnte große sperrige Nutzlasten aufnehmen (z.B. eine Kraftwerksturbine) und über unbewohntem Zielgebiet mit einem großen Fallschirmsystem abwerfen. Ebenso könnte man eine komplette polare Forschungsstation incl. Kraftwerk und Fahrzeuge z.B. in der Antarktis abwerfen. Als Löschflugzeug wäre das Konzept auch interessant: Ein riesiger Sack mit 250 m³ Wasser wird als Wasserbombe über dem Zielgebiet abgeworfen. Darüber befinden sich noch 10 weitere zusammengefaltete Säcke, die nacheinander mit einem Rüssel im Tiefflug über einem Gewässer betankt und über dem Brandgebiet abgeworfen werden, also werden nonstop 2500 m³ Löschwasser ausgebracht.
Aber zurück zu meinem zweiten Gedanken: Zitat wikipedia: „Die CO2-Emissionen pro Passagier für einen Flug entsprechen etwa 60 Prozent der Emissionen eines Transatlantikfluges zwischen New York und London. Etwa 70 Prozent der Emissionen stammen vom Trägerflugzeug, welches SpaceShipTwo in die Stratosphäre befördert“
Das brachte mich auf eine Idee: Wäre es nicht wirtschaftlich sinnvoll, private Suborbitalflüge mit 5min Schwerelosigkeit und das Marktsegment, das früher die Concorde besetzte (Überschall-Linienverkehr), miteinander zu kombinieren?
D.h., man läßt das SpaceShip 2 oder deren Nachfolger einen festen Liniendienst antreten, z.B. zwischen USA Ost- und Westküste.
Das würde die Nachfrage erhöhen, da sich die Klientel verdoppeln würde:
1.) die bisherigen Erlebnistouristen die Schwerelosigkeit und den Blick auf die Erdkugel vom Weltraum aus erleben wollen
2.) Reisende, die einen besonders schnellen Expressflug von A nach B haben wollen.
Den Rumpf ganz wegzulassen bringt ein Problem: Wo soll dann das Leitwerk angebaut werden? Da wäre es wohl sinnvoller, gleich ein Nurflügel-Design zu nehmen. Dann gäbe ea such keine Probleme mit dem Bugfahrwerk.
Eine andere Methode wurde auch schon mal vorgeschlagen: Die Rakete im Rumpf transportieren, und im Parabelflug mit einem Bremsfallschirm aus der Heckluke ziehen.
Die AN-225 bietet aber noch eine andere Möglichkeit: Sie ist ja für den Huckepack-Transport von Buran gebaut wurden. Man könnte also die Rakete oben draufsetzen, und zum Abwurf eine Rolle fliegen. In dem Moment wo die Kiste Kopf steht wird dann die Rakete ausgeklinkt. Allerdings könnten einige Änderungen nötig werden, um so einen dicken Brummer kunstflugtauglich zu machen.
@Elendsoft:
IMHO wurde die An-225 nicht explizit für die Buran konstruiert, sonst hätte sie nicht so einen riesigen Frachtraum mit hydraulischen Laderampen bekommen. Der Buran-Huckepack-Transport war nur ein zusätzlicher Mehrwert. Die An-225 wurde als Frachter für Innenlasten konstruiert.
Problematisch am Huckepack mit bestehendem Rumpf ist, daß der dicke Rumpf dann völlig nutzlos ist und durch den Luftwiderstand und Zusatzmasse unnötige Verluste verursacht.
Die ideale fliegende Startrampe für große Raumfahrzeuge sieht also so wie WhiteKnight aus. Zu deiner Frage: wo bei der An-225 ohne Rumpf die Leitwerke sind: Die beiden riesigen Beine für die Hauptfahrwerke (unter den mittleren Triebwerken) haben nach hinten je einen sehr schlanken, 50m langen Rumpfausleger mit je einem T-Leitwerk. Also Leitwerkskonfiguration ähnlich wie bei WhiteKnight I.
Zu deinem Vorschlag, die Rakete bei vollem Flugtempo aus der Heckladeluke zu ziehen: Damit die fliegende Startrampe so effektiv wie möglich ist, muß das Trägerflugzeug die größtmögliche v max aufbauen, also Größenordnung 900km/h. Bei diesem Tempo sind aerodynamische Störungen durch offene Luken nicht mehr trivial, sie sorgen für erhebliche strukturelle Belastung des Flugzeuges, der Flugstabilität und sie bremsen das Flugzeug unerwünscht. Also lieber gleich Außenlasten, die möglicht wenig aerodynamische Wechselwirkung mit dem Träger haben.
Um mal meine beiden Visionen (umgebaute An-225 in Form einer riesigen WhiteKnight und Suborbitalflüge im Passagier-Liniendienst) zu verschmelzen: Die umgebaute An-225 trägt einen Suborbital-Raumgleiter von der Größe einer Concorde. Passagierzahl: 100, Fluglinie: Transatlantik, ballistische Flugphase: Darf ruhig 15-30min dauern, Ticketpreis bei maximaler Wirtschaftlichkeit: 2000€.
Auf jeden Fall hat die AN-225 die nötigen Tragstrukturen und Befestigungspunkte, um eine schwere Außenlast zu tragen. Das existiert also schon, und müßte nicht erst völlig neu entwickelt werden. Der riesige Frachtraum hat einen einfachen Grund: Zum Raumgleiter-Transport ist ein Flugzeug eigentlich schon viel zu viel. Für einen Raungleiter wäre ein Start pro Monat utopisch viel, für ein Flugzeug lächerlich wenig. Die meiste Zeit würde das Ding nur nutzlos rumstehen. Damit sich das einigermaßen lohnt muß man zwischendurch also auch andere Nutzlasten transportieren können.
Außerdem ist die Entwicklung von so einem Riesenflugzeug sauteuer. Wenn man dann nur ein Stück baut ist das vergeudetes Geld. Eine Serienproduktion wäre aber ohne entsprechend großen Frachtraum für die meisten Anwendungen nutzlos. Daß es damit bis heute noch nichts geworden ist, hat einen einfachen Grund: Geldmangel. Nachfragen nach Aufnahme der Serienproduktion gibt es jedenfalls genug.
@Elendsoft: Weiter unten schrieb ich doch schon, wie flexibel meine An-225 im WhiteKnight-Design (ohne Rumpf, aber für übergroße Außenlasten) wäre. Sie würde also alles andere als monatelang am Boden bleiben.
Davon abgesehen leidet die realexistierende An-225 genau an dem Schicksal, das du meiner Weiterentwicklung anlastest. Sie gammelt die meiste Zeit ungenutzt herum. Lies mal den Wikipedia-Artikel. Das liegt an der mangelnden Flexibilität durch die starre Konzeption als Frachter für Innenlasten.
Statt Jäger90 / Eurofighter hätten die Mittel locker für meine „WhiteKnight-An225“ gereicht.
Innovation kommt durch menschliche Phantasie, und die ist grenzenlos. So könnte meine „WhiteKnight-An225“ z.B. ein komplettes Hotel in einer aerodynamischen Hülle an einem beliebigen Punkt der Erde mit einem Fallschirmsystem abwerfen.
In der militärischen Version können 2000 Fallschirmjäger oder 20 große Kampfpanzer aus einem Container mit großem „Bombenschacht“ abgeworfen werden.
In der zivilen Spielart davon werden wiederum 2000 Fallschirm-Touristen über ihrer Trauminsel abgeworfen. Die Reise ist dann halt etwas unbequemer, die hängen in Sprungausrüstung an Kleiderstangen und atmen während der Reiseflughöhe durch Sauerstoffmasken. Bei Abwurfhöhe von 3000m können sie dann normal atmen.
Wie gesagt, die menschliche Phantasie ist grenzenlos, man muß sie nur in Innovationen umwandeln und zahlungskräftige Kunden finden, und die gibt es, glaub mir.
Du vergisst bei deinen Visionen zur WithKnightAntonov zwei ganz entscheidenden Punkte bei der Konstruktion von Starrflüglern:
Der Auftriebsschwerpunkt muß ungefähr mit dem Gewichtsschwerpunkt zusammenfallen
und
Massive Bauelemente sollten so nah wie möglich an diesem Schwerpunkt sein sonst brauchen sie massive und damit schwere Befestigungskonstruktionen.
Diese Startplattform soll sowohl beladen wie unbeladen fliegen können wie auch auf ihrem Fahrwerk stehen können.
Die Leitwerke müssen in der Lage sein, auf ein 600 Tonnen schweres Flugzeug Lenkkräfte zu übertragen.
Das Fahrwerk muss im Stand aber auch beim Anrollen zum Abheben diese 600 Tonnen tragen.
Die russischen Ingenieure waren da schon recht pfiffig.
Warum wahnsinnig komplizierte Strebenkonstruktionen wenn es ein einfacher, leichter, aerodynamischer Hohlzylinder (genannt Frachtraum) tut.
Die Heckentladung einer Rakete hab ich auf irgendeinem Video schon mal gesehen. Würde einen Geschwindigkeitsverlust von ca. 10m/s schätzen.
Das daß Spaceship anders konstruiert sein kann liegt wohl am ehesten daran, daß vor allem die dynamischen Kräfte nicht linear mit dem Gewicht sondern eher quadratisch ansteigen.
Knapp 20 Tonnen sind da was anderes als 600.
Die Allwettertauglichkeit der WhiteKnight würde mich ausserdem interessieren.
Grüße, Bernd
Das mit den Ausenlasten ist so eine Sache. Bei einem Hubschrauber läßt sich das einfach an ein Seil hängen, und wenn die Fracht nicht aerodynamische Formen hat fliegt man eben langsam. Bei einem Flugzeug das mindestens einige 100 km/h fliegen muß, ist dann fast immer eine aerodynamische Verkleidung nötig. Also praktisch doch wieder ein Rumpf. Bei Fallschirmabwürfen sogar ein Wegwerf-Rumpf. Mal davon abgesehen daß bei vielen bisher transportierten Nutzlasten (z.B. Magnetschwebebahnen für China, oder ein Generator für ein Kraftwerk) ein millimetergenaues Absetzen erforderlich ist, da reicht es nicht das Zeug einfach irgendwo in die Gegend zu schmeißen.
Wenn man schon ein Hotel für den Lufttransport baut, warum dann nicht gleich in Form eines Flugzeugrumpfs? Auf zusätzlichen Ballast wie eine aerodynamische Hülle könnte man dann verzichten.
Außerdem braucht ein Hotel auf jeden Fall eine Infrastruktur: Anschlüsse für Energie, Wasser und Abwasser. Die sind an irgend einem beliebigen Punkt eben nicht vorhanden. Und dort wo die nötige Infrastruktur vorhanden ist, läßt sich ein Hotel auf konventionelle Weise billiger bauen. Und wenn es doch unbedint auf dem Luftweg transportiert werden soll, wäre ein Luftschiff wie Cargolifter dafür wesentlich besser geeignet.
Auch der Transport von 20 Panzern ist garantiert nicht möglich. Ein Leopard 2 wiegt immerhin 62 Tonnen, und auch US-Panzer sind nicht leichter. Das wären also nur 4, beim Transport in einem aerodynamischen Container (der ja immerhin das Gewicht einiger Panzer tragen muß!) höchstens 3.
So Leute, ein Bild sagt mehr als tausend Worte. Ich habe mal eine grobe Skizze des Bildes meiner „WhiteKnight“ An-225 angefertigt:
http://imageshack.us/photo/my-images/821/an225whiteknight.jpg
Allerdings sind die beiden „Schwänze“ für die Leitwerke etwas zu lang geraten. Aber man kann erkennen, daß das Grunddesign stark an das der „WhiteKnight I“ angelehnt ist – mit dem Unterschied, daß ein separater Mittelrumpf für die Pilotenkanzel komplett wegfällt. Dank der gigantischen Ausmaße findet in der Tragflügelwurzel bequem eine Pilotenkanzel in Wohnzimmergröße platz. Ich habe die Fenster vorne angedeutet.
Der blaß-rote Umriß in der Mitte soll übrigens eine Nutzlast andeuten – in dem Fall eine 2-stufige Trägerrakete.
Auf die Darstellung des ausgeklappten Lande-Bugfahrwerkes habe ich verzichtet. Es kann durchaus sein, daß man darauf komplett verzichten kann, wenn die Maschine beim Landen aerodynamisch und über Schubumkehr um die Querachse in der Balance gehalten wird. (der Moment in dem beim Ausrollen die Radbremsen greifen ist halt kritisch)
Jetzt zu den Einsprüchen:
@Bernie: Das Schwerpunktthema ist schon lange gelöst und wurde an einem kleinen Modellflugzeug getestet: Der WhiteKnight 1 🙂
@Elendsoft: Keiner der aerodynamischen Container ist ein Wegwerf-Container. Die Infrastruktur ähnelt dem Wechselbrücken-Prinzip im KLW-Verkehr. Und einen Gegenstand für Unterschallgeschwindigkeit aerodynamisch zu gestalten, ist nicht schwer.
Zum abgeworfenen Hotel: Das Hotel hat keine aerodynamische Verkleidung, sondern ist nativ aerodynamisch kontruiert.
Bei einem 250-Tonnen-Habitat ist es problemlos möglich, komplette Energieversorgung, Trinkwasseraufbereitung und Abwasserbehandlung, Regenwassergewinnung mit an Bord zu haben.
Das abgeworfene Hotel kann später entweder in ein stationäres Hotel umgewandelt oder je nach Zugänglichkeit zerlegt und abtransportiert werden.
Aber die Hauptaufgabe der Maschine wird ein wöchentlicher Transatlantik-Linienverkehr für einen Suborbital-Raumgleiter von der Größe der Concorde sein, Passagierzahl 100, Ticketpreis 2000€.
Im Unterschied zum Spaceship1/2 wird dieser Concorde-große Raumgleiter zwar auch ein teilweise wiederverwendbares Raketentriebwerk haben, aber zusätzlich sind 2 kleine Turbofan-Triebwerke mit an Bord, die gerade reichen, um die Maschine bei unter 10km Höhe eine Weile in der Luft zu halten. Das ist nötig, um beim Landen im Linienflugdienst auf regulären Flughäfen flexibel zu sein, sich in den Takt des Flughafens einreihen zu können und Platzrunden drehen zu können.
Diese kleinen Triebwerke müssen äußerst zuverlässig in der Luft startbar sein.
Ich persönlich bin sehr, sehr überzeugt von der Idee und wäre nach ausführlichen Gesundheitschecks bereit dafür, 2000 oder sogar 3000€ zu zahlen, um 1 mal im Leben den erdnahen Weltraum und eine viertelstündige Schwerelosigkeit erlebt zu haben. Allerdings hätte ich ehrlich gesagt gesundheitliche Bedenken und auch leichte Flugangst könnte aufkommen, wenn ich das Gerät betrete 🙂
Klingt so, als hättest Du das Thema für deinen ersten Gastblog gefunden….
Ein Hotel komplett mit Energieversorgung, Trinkwasserversorgung und Kläranlage, das nicht mehr als 250 Tonnen wiegt? Das wird wohl gerade für ein Einfamilienhaus reichen. Von den Kosten mal ganz zu schweigen. Schließlich ist schon ein Schiff deutlich teurer als ein gleichgroßes Haus. Und da ist noch keine (teure!) Leichtbauweise gefordert.
Bei dem Raumgleiter hab ich auch einige Zweifel, besonders bei der angegebenen Passagierzahl. Schon bei einer Concorde beträgt die Treibstoffmenge etwa 50% der Startmasse. Und das ohne das Mehrfache an Oxydator mitschleppen zu müssen, bei deutlich geringeren Geschwindigkeiten. Ohne ein zweistufiges Gerät oder einen abwerfbaren Treibstofftank ist da nichts drin. Selbst wenn das Ding nur einen ballistischen „Hopser“ machen soll.
Das nächste Problem: Nehmen wir mal eine Gipfelhöhe wie bei Spaceship an, etwa 100 km. Beim Space Shuttle lag der Gleitwinkel bei 17 bis 18 Grad, das entspricht bei 100 km Höhe einer Entfernung von rund 350 km. Recht wenig für einen Transatlantikflug.
Das Abwurf-Hotel ist eigentlich eines der kuriosesten und unwichtigsten Anwendungsgebiete der „WhiteKnight“-An-225. Ich schrieb auch nur von einer Abwasserbehandlung, so daß grob die Scheixe herausgefiltert wird, bevor die Brühe in der Wildnis versickert.
Kommen wir zum Hauptanwendungsgebiet zurück. Grundsätzlich hast du mit deinen Bedenken recht, aber wir haben hier noch etwas Spielraum und es gibt auch entscheidende Unterschiede zum Konzept der Concorde.
1.) Spielraum beim Startgewicht: Eine vollgetankte und beladene Concorde wog 187 Tonnen. Die WhiteKnight-An225 hebt so wie die ursprüngliche An-225 250 Tonnen, somit kann der Raumgleiter etwas größer und schwerer sein.
2.) für die ersten 1000km Distanz und die ersten 10-15km Höhengewinn wird beim Raumgleiter kein Gramm Treibstoff verbraucht, da er passiv am Träger hängt.
3.) SpaceShipTwo fliegt in der ballistischen Flugphase mit ca. 1,4km/s. Der große Raumgleiter soll es auf sagen wir mal 2km/s bringen und sich 15min lang in der ballistischen Flugphase halten können. In dieser Zeit legt er grob geschätzt 1700km geographische Distanz zurück. Jetzt sind wir schon bei 2700km.
4.) mit der Gleitflugphase nach Wiedereintritt überbrückt man 300km bis hinunter auf 10km Höhe, sind wir bei 3000km
5.) in 10km Höhe werden die beiden kleinen und äußerst effizienten Turbofan-Triebwerke ausgefahren und gestartet. Macht bei Mach 0,75 und 3h Laufzeit ca. 2000km Distanz aus – wir sind bei 5000km. Das reicht für die Strecke Boston-Lissabon.
Möchte man die (deutlich attraktivere) Strecke NewYork-London bedienen, so hat man 3 Stellschrauben:
1.) der Träger trägt etwas weiter bis zum Abwurf des Raumgleiters
2.) der suborbitale Hüpfer wird größer, allerdings ist das kritisch wegen zunehmender Hitzeschutzproblematik bei Wiedereintritt
3.) die kleinen Turbofans arbeiten nach Wiedereintritt noch länger.
An der Stelle kommen bei mir 2 Fragen auf, die ich noch nicht beantworten kann:
1.) Setzt das Trägerflugzeug seinen Flug nach Abwurf des Raumgleiters ebenfalls fort um ca. 30 Passagiere in EconomyClass über den Großen Teich zu bringen oder kehrt es zurück zum Heimatflughafen?
2.) ist ein Start des Raumgleiters in Westrichtung überhaupt ökonomisch sinnvoll? Man braucht ca. 800m/s mehr an Raketen-Beschleunigung, da man gegen die Erdrotation ankämpfen muß. So gesehen wäre ein riesiger One-Way-Kreisverkehr in Ostrichtung deutlich sinnvoller, aber man braucht alle 5000-6000km ein attraktives Ziel. Hinter Moskau sieht es dünn aus.
@Verkehrvision
Du hast die Reisezeit in deinem Beispiel für eine Entfernung von 5000 Kilometer auf ca. 4,5 Stunden gedrückt, also um ca. 25 %.
Dafür brauchst Du 2 Spezialfluggeräte mit sehr hohen technischen Anforderungen und wohl sehr kleinen Bauserien.
Dazu mit hohem Sicherheitsrisiko, da die angedachten Triebwerke ja keinen Landungsabbruch zulassen würden
Die tragen zusammen gerade mal 100 Passagiere.
Das ganze für 200.000 € Gesamt pro Flug.
mmmmh.
Warum nicht die Concorde nach heutigen technischen Erkenntnissen nachbauen. Wäre schneller und billiger.
Deine Beispielzeichnung:
Fliegt nicht ohne Fracht da hecklastig.
Da schon besser einen reinen Nurflügler und die Nutzlast mit relativ großen aerodynamischen Flächen ausrüsten, die vom Trägerflugzeug aus mitgesteuert werden können.
@Bernie: Nein, meine WhiteKnight-An-225 ist nicht hecklastig, da sie exakt die selbe Trimmung, Flächen- und Leitwerkkonfiguration verwendet wie die WhiteKnight 1 (schau sie dir doch mal bitte über Google Bildersuche an). Und die Außenlast wird exakt unterhalb des Schwerpunktes aufgehängt – sie ist also absolut Trimmungs-neutral. Die Skizze ist übrigens eine symbolische Design-Verdeutlichung, keine maßstabsgetreue technische Zeichnung!
Ein Nurflügler ist schwerer stabil zu halten bzw. anfälliger gegen nicht exakte Trimmung der schweren Außenlast.
So, jetzt zum Concorde-Vergleich: Bei der Reisezeit hast du abslolut recht. Das ist eine Schwäche des bisherigen Konzepts. Um mit der Concorde mitzuhalten, brauche wir eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 1800km/h. Im Moment sind wir überschlägig bei 1100km/h.
Allerdings muß man dazu sagen, daß meine Raumgleiter-Idee NICHT ein 1:1-Ersatz für die frühere Concorde sein soll, wie ich beim ersten Formulieren der Idee ja hier schon geschrieben habe. Es soll eine Verknüpfung, eine Synthese, eine Kreuzung zweier völlig verschiedenen Interessengruppen sein.
1.) Es soll jedermann (zumindest aus den Industrienationen) die Möglichkeit gegeben werden, 1 x im Leben den Weltraum, die Schwerelosigkeit und den Blick auf die Erdkugel zu erleben
2.) Es soll die Express-Geschwindigkeit der Concorde für einen Linienflugdienst wieder angeboten werden
Vom Energiekonzept her gesehen stehen sich Concorde und Suborbital-Raumgleiter diametral gegenüber. Während die Concorde einen dauerhaften Überschallflug in der Stratosphäre vollzieht und dafür außerordentlich starke, ineffiziente Turbojet-Triebwerke mit Nachbrennern benötigt, hat der Raumgleiter eine Flugphase, die zu der energetisch günstigsten Methode eines Menschen gehört, um sich fortzubewegen: Das antriebslose Schweben im All ohne Luftwiderstand unter Beibehaltung der vorher zugeführten kinetischen Energie.
Und jetzt zu dem Problem der Durchschnittsgeschwindigkeit. Ich habe darüber nachgedacht und bin zu dem Schluß gekommen, daß man nach Wiedereintritt die Abstiegsphase zwischen 30km und 10km Höhe künstlich verlängern sollte durch einen RAMJet-unterstützten Überschall-Sinkflug.
Gründe:
1.) Ein RAMJet bietet sich an, da es genau die Startbedindungen vorfindet, die es für andere Luftfahrzeuge ausscheiden lassen: Das Flugzeug befindet sich beim Starten/Zünden des Triebwerkes bereits in einer hohen Geschwindigkeit.
2.) Ein RAMJet ist einfacher und leichter aufgebaut als ein Turbojet
3.) die Potentielle Energie aus 20km Höhendifferenz wird zusätzlich genutzt für den moderaten Überschallflug, somit kann das RAMJet kleiner, leichter und sparsamer ausgelegt werden als bei reinem Horizontalflug.
Ich denke da an einen künstlich verkleinerten Gleitwinkel von 2°, somit ist mit etwa 1000km Überschallflug zu rechnen – bei deutlichst (!) geringerem Stundenverbrauch als bei der Concorde. Zumal der Raumgleiter ja zeitwese noch deutlich dünnere Luftschichten (ab 30km abwärts) durchfliegt als die Concorde mit konstant 18km und somit zeitwese eine noch höhere Mach-Zahl erreicht.
Zusammenfassung der Flugphasen (geogr. Distanz / Höhengewinn):
1.) Aufstieg passiv am Trägerflugzeug: 1000km, 10km
2.) Brennphase des Raketentriebwerks: 150km, 60km
3.) suborbitale (ballistische) Phase: 1700km, 50km, -50km
4.) Wiedereintritt und Bremsen: 50km, -40km
5.) Zünden der RAMJets, forcierter Überschall-Sinkflug: 1000km, -20km
6.) Unterschall-Landeanflug mit Turbofan-Unterstützung: 500-1000km, -10km
Ich hab mir die WhiteKnightTwo nochmal angeguckt.
http://www.fea.ru/spaw2/uploads/images2/WhiteKnightTwo_and_SpaceShipTwo_on_Virgin_Galactiv_flight.jpg
und sehe ausgeprägte Piloten/Pasagierkanzeln.
Das ist auch logisch, da der Auftriebsschwerpunkt einer Tragfläche sich ca. nach dem 1. Drittel der Tragflügeltiefe befindet. Muss man noch die Pfeilung berücksichtigen aber seis drum.
Bei deiner Prinzipskizze ist da nichts zu finden. Der vorderste Teil ist schon die Tragflügelwurzel und da findet sich ausgerechnet noch das relativ leichte Cockpit anstatt z.B. eines schweren Tanks.
Das Dingen ist einwandfrei hecklastig!
Ein Nurflügler muss natürlich computergesteuert werden, er hat immer eine labilere Flugstabilität als eine Maschine mit Leitwerk. Die B2 macht das aber ganz gut vor.
Die Trimmung der Außenlast bzw Raktete halte ich unter folgendne Bedingungen für gegeben: Entweder Feststoff oder vollgetankte turbopumpengeförderte Flussigkeitsrakete. Eine Druckgasgeförderte oder nur Halbbetankte hat Probleme mit großen Luftsäcken, scheidet tatsächlich aus.
Zur Gesamtidee: Du willst hier unbedingt zwei Forderungen zusammenbringen, die völlig verschiedene Vorraussetzungen haben.
Schnelle Transatlantikquerung und das Abenteuer Schwerelosigkeit (Wieweit in 100 km Höhe schon die Kugelgestalt der Erde hervortritt kann ich nicht beurteilen.
Du hast aber immer Probleme, wenn du das vereinigen willst.
Da keine wirklich hohe Endgeschwindigkeit erreicht werden soll (Dann braucht man wirklich ein ausgeklügeltes Hitzeschild, ein relativ massives Passagierabteil und so wenig wie möglich „Aussenanbauteile“) bist du auf alle möglichen Tricks angewiesen, um die Reichweite zu erhöhen.
Weite „Anreise“ mit dem Träger, Ram-jets für die verlängerung des Gleitflugs, TurboFans für den Endanflug. Außerdem eine Flugreserve, könnte ja mal plötzlicher Nebel am Ankunftsflughafen sein. (D.h. die Turbofans so stark, daß sie die Maschine auf Flughöhe halten können plus Treibstoffreserve)
Du packst da immer mehr Hilfstechnik rein, irgendwann ist kein Platz mehr für die eigentliche Nutzlast, die Passagiere. Wir sind jetzt schon bei einer Abflugmasse von 600 Tonnen (Concorde 186 Tonnen)
Also, warum es so kompliziert (und teuer) machen.
Den eiligen Atlantiküberqueren eine moderne Concorde, den Raumfahrtbegeisterten das Reisebüro Virgin Galactic.
Zum Schluss: Ich finde Leute mit Visionen gut! Aber die brauchen auch Leute mit wenig Fantasie, die die Vision an der langweiligen Realität messen. Gemeinsam bringen die was voran!
In diesem Sinne,
Bernd
Warum denn nun unbedingt auf einen Rumpf verzichten? Es gäbe eine einfache Möglichkeit, die Rakete trotzdem unter den Rumpf zu hängen: Ein Rumpf mit einer Rinne an der Unterseite, in der die Rakete eingehängt werden kann. Über der Rinne wäre immer noch genug Platz für ein Frachtdeck, und was darunter neben der Rakete liegt, könnte das Fahrwerk und Treibstofftanks aufnehmen. So braucht man keine langen „Storchenbeine“, und die meisten anderen anderen Probleme wären damit auch keine mehr.
Vergleichen wir mal die Varianten mit normalem Rumpf, und die mit Abnehmbarem Rumpf:
Die Flüge mit Außenlast dürften eher die Ausnahme sein, die AN-225 hat jedenfalls außer Buran nie eine Außenlast transportiert. Die Leitwerksträger wiegen aber auch nicht gerade wenig, schließlich müssen sie ja einige Kräfte aufnehmen. So sehr viel Gewicht spart man damit also auch nicht. Ein abnehmbarer Rumpf erhöht dann also die Nutzlst ein wenig für einen eher seltenen Einsatzfall. Ausgerechnet für die Hauptanwendung muß dann aber Rumpf plus Leitwerksträger mitgeschleppt werden, was eine geringere Nutzlast bedeutet.
Und noch einen Vorteil hat ein fester Rumpf: Man muß nach einem Flug mit Außenlast nicht leer zur Heimatbasis zurückfliegen, um für den nächsten Auftrag wieder den Rumpf anzubauen.
Bei einem relativ kleinen Gerät wie White Kight / Spaceship kann man sich hohe Kosten noch leisten, solange man genug Kunden findet die das Geld haben. Ein Großraumflugzeug ist aber auf den Massentransport ausgerichtet, da gibt es nicht genug Kunden die bereit sind, Schweinepreise zu zahlen. Wirtschaftlichkeit muß daher an erster Stelle stehen.