オレグニジュニク、 ISAS/JAXA, 研究員テザー打ち上げアシストシステム Table of contents N Contents Slide 1 問題の声明とシステムコンセプト 1 2 ロープウェーイ打ち上げアシストシステム 5 3 運動量スワップテザー打ち上げアシストシッステム 11 4 結論 26 問題：もうロケットエンギン改良できません。ロケットエンジンは物理的なげんかいに近くなるから。 1000000 1000000 100000 100000 10000 Thrust, N 10000000 Thrust, N 10000000 LOX/LH2 げんかい 1000 1000 100 100 Specific impulse, s 480 430 380 330 280 230 580 530 480 430 380 330 280 Specific impulse, s LOX/CH2 げんかい 10000 問題：化学ロケットエンギンと２０年間以上改良しても、打ち上げ技術はほとんど進みません。ロケット技術は大型ロケットへ進化します。ロケットパエイロード他のパラメータ災害なかったら、改良しません。一年間打ち上げ重量ペイロード／ロケット重量 Columbia災害打ち上げコスト打ち上げシステムコンセプトテザーアシスト打ち上げコンセプト: ロケット燃料を使わずに、電力ですいしんします。発表パート3 発表パート２太陽電池軌道錨気球錨ロケット加速動目的の軌道運動量スワップテザー運動量スワップロープウェーイ加速動地面の電力ネットスタートもとの発表リスト: [1] O. Nizhnik, “A Low-Cost Launch Assistance System for Orbital Launch Vehicles”, International Journal of Aerospace Engineering, Volume 2012, Article ID 830536, doi:10.1155/2012/830536, June 2012, pp. 1-10 [2] Nizhnik, O. “The Space Mission Design Example Using LEO Bolos”, MDPI Aerospace 2014, vol. 1, No. 1, pp. 3151 ,doi:10.3390/aerospace1010031 2. ロペウェーイ打ち上げアシストロープウェーイ打ち上げアシストシステム飛行機と気球をくらべたら、気球打ち上げアシストのメリットの方が多い飛行機のデメリット [1] にぎろんがあるので, 今から祖乙論: 1)ジェットエンジンのパワー密度はロケットとあんまり変わらないから、コストも変わらない。 2) 飛行機にパロットがあります。それで、打ち上げようにちょうせつを完璧できません。 3) 飛行機のメリットはだだのロケット１５％重量改良 4) フライト時間長過ぎるから、低温燃料を使えません。 x Pegasus-XL ロケット「退社」気球のメリット 1) 電力は安いと長生きでくる事地上電気モーターからもらいます「10W/USD」 2) 飛ばせる重量は４トンだけ「Pegasus/Stargazer はおよそ２００トン」 3) 他の方法打ち上げできない軽いペイロードを打ち上げできます。 4) ロケットはっしゃまで3-分かかって、どんな低温燃料でも使えます。ロープウェーイ打ち上げアシスト開発けっか： o 結論： 6000hp モーターは９５１kgペイロードを２４km高度まで7分間に運べます。５．５トン吊り上げ力の気球は必要(0.8 mln. m3 NASA 気球はOKです)。このロケットは２１.4kgペイロードをLEOまで運べます。 Haas ロケット「退社」ロケット打ち上げのシムレーション • • 複数型（２数型）ロケットはScilabスクリプトで自動開発しました。開発したパーツは燃料タンク、エンギンとペイロード。タンク重量は[3]からた項式を使って, 一番軽いタンク仕組みをえらびます。エンギンは Ottobrunn-300Nです。ほかのパーツ(べん, くだ, センサー, MC) シムレーションしません。開発おわって、シムレーション打ち上げと軌道そくていします。打ち上げコンツロルは自動です。目的軌道「およそ１８５km高度の丸型」を入力します。軌道シムレーションけっか宇宙 Y距離「m」 • • 2nd stage burn 1st stage burnout 安定な軌道大気地面 X距離「m」ロープウェーイと離れる地球の中心への [3] J. R. Wertz, D. F. Everett, J. J. Puschell, “Space Mission Engineering: The New SMAD”, Published by Microcosm Press, Hawthorne, CA, USA, 2011. ISBN 978-1-881-883-15-9 気球で高度とうんぱんできるロケット重量 Maximal rocket weight, kg 2500 2000 1500 1000 500 0 風圧力は高い高度風圧力はほとんどない高度 40 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0 Separation altitude, km この時代のロープ技術と, ４５km以上ロープは自分の重量ささえません。. それで、この画像で高度をあがったら、運べるペイロードはへらします。およそ、７mm2断面面積 Dyneema SK90 ロープのばあい m<1990-0.04337*h, m-ロケット重量「kg」と h-気球高度「m」気球高度とペイロード重量 Payload to orbit vs separation point altitude 30 25 Payload, kg 20 15 10 5 風圧力は高い高度風圧力はほとんどない高度 0 40 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0 Separation altitude, km ２トンの重量と丸い形のロケット (こうりょうくファクター=0.6) 空気のていこうのせいで地面から打ち上げできません。高い気球の高度のばあい、さいしょのロケットの重量は低いから、大きいペイロードも運べません。およそ、２４kmロープウェーイ高度と、ロープウェーイアシストシステムは２．２km／s delta-v 改良します。その中で、１．５km／s空気抵抗へらし、０．６km／s高度上げるし、それに０．１km／s速度上げます。気球高度と打ち上げコスト Estimated cost, USD/kg 50000 45000 40000 35000 空気ていこう影響 30000 ロープ荷重影響 25000 20000 りそうアシスト高度 15000 10000 5000 風圧力は高い高度風圧力はほとんどない高度 0 40 36 32 論文[1]に細かく経済計算は発砲しました。 28 24 20 16 12 8 4 Separation altitude, km 3. 運動量スワップ打ち上げアシストシステム 1. 軌道にあるテザーは 2. 回りながら、テザーは 3. ペイロードとテーザーはわかれて、ペイロードとつなぐ。ペイロードを失い、ペイロードはばらばらの軌道に行きます。運動量をもらいます。システム得点: 1)大きい加速動、LEO軌道を届けないペイロードをアシストできます。 2)テーザは軌道にあるから、真空かんきょうは必要。 3)打ち上げアシストの後で、テーザーの軌道をion motorのちからで軌道をなおします。 4)テザーはかなり長い「すkmから」テザー動量スワップ打ち上げアシストシステムの軌道画像 1-最後ペイロードの軌道 2-最初のテザーの軌道 3-つないだテザーとペイロードの軌道 4-最後テザーの軌道 5-最初のペイロード道「軌道でわありません」薄い大気のなか、長いテーザーは空気高度差により回る力があらわれます。 Airspeed=(Orbital Speed ) + ( Tip Speed) 低い密度空気 Orbital speed vector Airspeed=(Orbital Speed ) 高い密度空気 Airspeed=(Orbital Speed ) - ( Tip Speed) テザーチップ安定じょうたい回転速度長いテザーは方が早く回転します。それで、この時代の技術で30km以上テザーを安定じょうたい速度前に割れます。スピンアップまでの時間［６３％安定じょうたい回転速度まで」 Besides this line rotation speed will vary depending on phase of 11-year solar cycle ちゃんと軌道高度とテザー長さ選ぶと、安定じょうたい回転速度は太陽のしゅうきに変わりません。スタートげんかいチップ速度げんかいチップ速度をすぎると、テザーは振り子モードから回転モード変動します。テーザーをつり合わせるの意味ありますか？ • いいえ、一番便利な仕組みは中心のハーブ Counterweight increase momentum of inertia of tether, making spin-up of tether and payload capture more difficult. Only improvement is marginal reduction in micrometeoroid protection weight. 技術か改良のえいきょうリストペイロード重量のかいぜん Parameter ペイロード重量の変動 Better ISP of ion motors 0.15 %/% (small effect) Electromagnetic tether (MXER) +30% Stronger tethers 0.13 %/% (small effect) Larger spacecraft power density 1.81 %/% (critical) Lighter MMOD shields 0.41 %/% (important) Damage-tolerant tether +170% Low-drag solar panels (sun slicer) available +10% Nuclear power source available +60% Launch rate 1%/% (critical) いまの技術とありえるしすてむ: 11.5 トン軌道のアシストシステム250kg ペイロードを毎週拾って、0.76 km/s delta-vあげます。 Isp=360s ロケットに43kg (+21%)ペイロード改良なります。システムボトルネック：アシストペイロード改良／アシストシステム重量 1/400 だけ。結論太陽電池軌道碇 Aerostat anchor ロケット加速動運量スワップテーザー目的の軌道運量スワップロペウェーイ加速動地面の電力ネットスタートロケットなし打ち上げアシストはこの時代にありえるけど、色々きじゅんと技術は会ってません。 1)小さなペイロード「<50kg」の打ち上げひんはつは足りません「５０打ち上げ／年必要」 2)軽い、２トンぐらいウチュロケットはまだありません。もっと軽いMC，センサーとべんは必要。 3)衛星の電力密度は足りません「２０１１に、へいきんは２W／kgでした」。１０W／kg 必要。