Dvoustupňový na oběžnou dráhu - Two-stage-to-orbit

Dvoustupňový k oběžné dráze ( TSTO ) nebo dvoustupňová raketa vozidlo startu je sonda, ve které dvě odlišné fáze poskytnout pohon postupně, aby se dosáhlo oběžná rychlost. Je prostředníkem mezi třístupňovým odpalovačem a hypotetickým odpalovačem jednostupňovým na oběžnou dráhu (SSTO).

Při startu je první stupeň zodpovědný za zrychlení vozidla. V určitém okamžiku se druhý stupeň oddělí od prvního stupně a pokračuje v oběžné dráze vlastní silou.

Výhodou takového systému oproti jednostupňovému na oběžnou dráhu je to, že většina suché hmotnosti vozidla není přenesena na oběžnou dráhu. To snižuje náklady spojené s dosažením orbitální rychlosti, protože velká část struktury a hmotnosti motoru je vysunuta a větší procento oběžné hmotnosti je hmotnost užitečného zatížení.

Výhodou ve třech nebo více fázích je snížení složitosti a méně separačních událostí , což snižuje náklady a riziko selhání.

Spiknutí GLOW vs strukturální koeficient pro profil mise LEO.
Důležitost strukturálního koeficientu a I SP pro vozidla s jednostupňovým orbitem (SSTO) a omezeným stupněm dvoustupňovým orbitem (TSTO). Na základě mise LEO Delta v = 9,1 km / s a ​​užitečné zatížení = 4500 kg pro rozsah hnacího plynu Isp. GLOW = celková zvedací hmotnost

Příklady

Není vždy jasné, kdy je vozidlo TSTO, a to kvůli použití připevněných přídavných raket při startu. Ty jsou upuštěny na začátku letu a mohou nebo nemusí být považovány za další stupeň, pokud hlavní motor (y) pokračují v palbě. Ty jsou někdy považovány za poloviční stupeň, což vede k výrazu jeden a půl stupně na oběžnou dráhu (1,5STO), např. Pro raketu Atlas , která byla jedním jádrovým stupněm s dalšími posilovači. Podobně lze dvoustupňové konstrukce s dalšími posilovači označovat jako 2,5stupňové rakety, např. Ariane 5 nebo většina variant Atlas V (všechny kromě 401 a 501).

Opakovaně použitelné odpalovací systémy

S odkazem na opakovaně použitelný vypouštěcí systém je tento přístup často navrhován jako alternativa k jednostupňové oběžné dráze (nebo SSTO ). Jeho příznivci tvrdí, že jelikož každá fáze může mít nižší hmotnostní poměr než odpalovací systém SSTO, může být takový systém postaven dále od limitů jeho konstrukčních materiálů. Tvrdí se, že dvoustupňový design by měl vyžadovat méně údržby, méně testování, méně poruch a mít delší životnost. Dvoustupňový přístup navíc umožňuje optimalizovat spodní stupeň pro provoz ve spodní atmosféře Země, kde je vysoký tlak a odpor, zatímco horní stupeň lze optimalizovat pro provoz v podmínkách blízkého vakua v pozdější části zahájení. To umožňuje zvýšení hmotnostního podílu užitečného zatížení dvoustupňového vozidla oproti jednostupňovým nebo půldruhým vozidlům, která musí fungovat v obou prostředích se stejným hardwarem.

Kritici tvrdí, že zvýšená složitost navrhování dvou samostatných fází, které musí vzájemně působit, logistika spojená s návratem první fáze na místo startu a potíže s prováděním dílčích zkoušek ve druhé fázi převáží tyto výhody. V případě letadel podobných nižších stupňů také argumentují, jak obtížné a nákladné jsou vysokorychlostní letouny (jako SR-71 ), které se vyvíjejí a provozují, a zpochybňují výkonnostní požadavky. Mnoho návrhů „mini-raketoplánů“, které používají dopravní letadla jako první etapy, také čelí podobným problémům s ledem / pěnou jako raketoplán kvůli požadavku, že mají také velkou externí nádrž na palivo.

Od roku 2020 je SpaceX jediným poskytovatelem startu, který dosáhl první fáze opětovného použití orbitálního vozidla s dvoustupňovým Falcon 9 a 2,5stupňovým Falcon Heavy . Rocket Lab obnovil první stupeň své rakety Electron , ale znovu jej neletěl.

První etapa podobná vrtulníku

Vezmeme-li v úvahu, že provoz podobný letadlu se nepodobá vzhledu podobnému letadlu, některé opakovaně použitelné koncepty TSTO mají první fáze, které fungují jako letadla VTOL nebo VTOHL . Model DC-X se osvědčil jako funkční provedení doplňku VTOL. Jiné designy, jako je koncept DH-1, to dělají o krok dále a používají přístup „vyskakovací / vyskakovací“, který přináší oběžnou dráhu do bodu asi 60 km nad zemským povrchem, než spadne na odpalovací rampu znovu. V případě DH-1 je horní stupeň skutečně „téměř SSTO“ s realističtějším hmotnostním zlomkem, který byl optimalizován pro spolehlivost.

První etapa podobná letadlu

Některé návrhy TSTO zahrnují první stupeň podobný letadlu a druhý stupeň podobný raketě . Prvky letounu mohou být křídla, motory dýchající vzduch nebo obojí. Tento přístup je lákavý, protože transformuje zemskou atmosféru z překážky ve výhodu. Nad určitou rychlostí a nadmořskou výškou přestávají být křídla a scramjety účinné a raketa je nasazena k dokončení cesty na oběžnou dráhu.

Saenger (kosmická loď) byl mezi prvními koncepty tohoto typu.

I když nejde o orbitální vozidlo, úspěšná soukromá suborbitální kosmická loď SpaceShipOne vyvinutá pro cenu Ansari X ukázala, že dvoustupňový systém s okřídleným letadlem jako „dolní polovinou“ může dosáhnout okraje vesmíru . Tým stojící za SpaceShipOne postavil a letěl na komerční technologii suborbitálního vypouštěcího systému - SpaceShipTwo - založenou na této technologii.

Pegasus raketa zatímco letadlo zahájena, není systém dvoustupňový k oběžné dráze, protože raketa komponenta sama se skládá z několika etap.

Reference