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16. Juli 2019, 06:07:03
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Autor Thema: Anwendungsdurchbruch zur schwerlastfähigen Raumfahrt mit e. Katapulten  (Gelesen 861 mal)

Offline Mengtse

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Hallo Leute, ich habe hier eine Raumfahrtidee, zu der ich eure Performanceeinschätzung suche. In einer leistungsseitigen Gegenüberstellung zur historischen Saturn5-Rakete und ihrer heutigen Herausforderer.
Als Internet-Laie o-h-n-e Englischkenntnisse, suche ich letztendlich einen Weg mich mit dem Vorschlag an Herrn Prof. Michio Kaku zu wenden, diese Idee filmisch darzustellen und über die Medien einem Massenpublikum vorzustellen. Neben einer sachkompetenten Leistungseinordnung fehlt mir also zudem auch ein Tipp, wie man diesbezüglich an einen Kreis raumfahrtenthusiastischer Dolmetscher / Promoter gelangt.

Grundsätzliches:
Bei dieser Idee geht es darum, die Grundfunktionsweise des aktuellen Technologienachfolgers, der einstigen Mondkanonen-Idee von Jules Verne, aufzugreifen. Und zwar im konzeptionellen Versuch eine E.Katapultvariante zu kreieren, mit der man Jules Vernes Urspungsidee, anhand dessen aktuellen Technologienachfolge über deren grundsätzliche Anwendungsbarrieren hinweg helfen kann, und nebenher noch die geltenden Limits der Raketengleichung ausgehebelt bekommt.
Hierzu sollen elektrische Katapulte speziell modifiziert werden, um performanceseitig am Vollraketenprinzip vorbeizuziehen, das derzeit ja in einer Performancesackgasse steckt. Denn seit den Zeiten der Saturn5 konnte dessen Nutzlastmaximum nur unwesentlich vorangetrieben werden. Jede weitere signifikante Nutzlastaufstocken treibt hier die Spacefracht-Stückkosten je Kilo entlang exponentieller Kostenverläufe in den Nichtakzeptanzbereich heutiger Kundenkreise. Das von Braun-Team hatte einst die Raketengleichung bestmöglich in ein technisches System umgesetzt bekommen. Derart gut, das hier quasi keinerlei große Spielräume für deutliche Performancesprünge mehr verblieben sind.

Einziger Ausweg: Ein technisches System zu kreieren, dem die Raketengleichung nur noch in Anteilen zugrunde liegt, oder gänzlich anders als mit Raketenschub arbeitet. Darum geh es hier.
Ein soll ein technische Hybrid aus Katapultgefährt, für die anfängliche Steigphase, entstehen, dem ein verkleinertes Raketentriebwerk zur Reststreckenüberwindung hinzugefügt ist.

Auf einen Satz und ein generelles Motto komprimierte Vorgehensweise hierzu:
Die Kernidee entspricht einem Durchtunnelungsvorhaben des zu dichten, und somit massiv Tempo hemmenden, Unterhauses der irdischen Atmosphäre, innerhalb einer vorm Luftdruck abgeschotteten Röhre, welcher auf Gipfelhöhe (oberhalb 5.000 Meter) eine schnell öffnende Verschlussklappe aufsitzt.
Gemäß dem doppelten Motto:
Den damit verschossenen Raumfahrzeugen soll somit ermöglicht sein, das ihnen
A- in keiner Phase ihres Aufstiegs bis ins Orbit mehr als nur ein halbierter Atmosphärendruck im Wege steht. Und B- das diese Fahrzeuge darüber hinaus möglichst geringe Eigenkräfte entfalten brauchen, zugunsten einer beträchtlichen Nutzlastaufstockung.

Ziel:
Unter dieser Strategie, des Minimierens von Widerständen, plus einer zugleich einwirkenden massiven externen Beschleunigungsbeihilfe, soll es zur grundsätzlichen Verschiebung des Fahrzeuginternen Masseverhältnis kommen. Die Gewichtskontingente, die einerseits von der Raketentechnik, der Tanks plus deren Inhalte gestellt werden, und bei der Saturn5 rund 95,5% der Gesamtmasse des Fahrzeugs ausmachten, und denen andererseits die restliche Nutzlast, von nur ca. 4,5% gegenüber steht, sollen zueinander verschoben werden.

Statement:
Bis heute verwendete Raumschiffkonstruktionen sind Vollraketensysteme, die sich den Regeln der Raketengleichung voll zu unterwerfen haben und somit ebenso unter jener totalen Diskrepanz von Aufwand und Effekt leiden.
Erste Einschätzungen legen nahe, das man mit dieser Art Hochgebirgs-Rail-Gun auch deutlich am hybriden Vorgehens des Starthilfesystem "Roc" der Firma Stratolaunch vorbeiziehen wird.
Dies trägt das eigentliche Raumfahrzeug, mittels externer Kräfte, auf eine Höhe von rund 9.000 Metern.
Dort klinkt man es aus, woraufhin nachfolgend dessen Eigenantriebe zünden.
Diese ermöglichen ihm dann, die Reststrecke ins Orbit auf klassische Weise bewältigt zu bekommen.
Das dem Fahrzeug darüber mitgeben sein könnende Vorabtempo liegt allerdings klar im Unterschallbereich.Der Masseumfang solcherart auf den Weg gebrachter Raumfahrtzeuge wird hierbei von der Tragfähigkeit des Tandemflugzeug limitiert.
Der von diesem, dem untergeschnalltem Raumschiff, mit auf den Weg gegebene Bewegungsimpuls ist dabei zum Ausklinkzeitpunkt weitestgehend horizontal ausgerichtet.
Somit kann jener ihm, von außen hinzugefügte, Energieimpuls, ab hier auch zu keinem zusätzlichen eigenantrieblosen Höhenanstieg beitragen.

Eine Hochgebirgs-Railgun wäre demgegenüber nahezu vertikal aufgerichtet.
Dessen Leistungsobergrenzen, Massenkontingente zu versenden, liegen eindeutig über dem von Tandemflugzeugen.
Auch wären hierbei Abschussgeschwindigkeiten machbar, die im   Mehrfach-Überschallbereich, liegen. Bei zunehmenden Masseumfang kämen hier auch immer mehr die Regeln des Impulserhaltes zum tragen. Je mehr Masse bei unveränderter Maximalabschussgeschwindigkeit bewegt ist, umso deutlicher verlängert sich darunter die Phase des passiven Weiteranstiegs, nach Verlassen der Mündung.
Dies wiederum nimmt signifikanten Einfluss darauf, für welche andere, nochmals gesteigerte Höhe der Zündzeitpunkt zu wählen ist, wo die Reststreckenantriebe zu starten haben.
Umso mehr sollte deswegen, aufgrund "Mehr aber nicht Schneller" aus geschleuderter Massen, die oben beschriebene raumschiffinterne Massediskrepanz zurückgeführt werden können.

Angenommen man würde eine historische Saturn5 zu einem im Gesamtgewicht gleichen, aber katapulttauglichen Hybriden umbauen, der vom Hochgebirge aus verschossen wird.
Wo läge dann wohl dessen neues Nutzlastmaximum?

Vorabinfo und Fragen: Das US-Militär verschießt 8.500 km/h schnelle Vollkörperprojektile per Rail-Gun.
Könnte unter der hier vorgestellten Vorgehensweise, 5.000 Meter höher und gegen halbierten Luftdruck, auch für ladungstragende  Hohlkörperprojektile das gleiche Tempo erzielt werden, deren Reststrecken dann Hilfsraketen erledigen?
Entspräche ein hiermit vorgelegtes Drittel der Orbitalgeschwindigkeit auch einem eingesparten Gewichtsdrittel der Gesamttreibstoffmassen der ehemaligen Saturn5?
Die erste Brennstufe der Saturn5 verfeuerte 2000 Tonnen Brennstoff, um bis auf 60 Kilometer Höhe aufzusteigen. Sollte es mit einer Hochgebirgs-Rail-Gun, in idealer Konstellation aller Faktoren, möglich werden den Zündzeitpunkt der Reststreckenantriebe erst in 6.000 Meter Höhe anzusetzen, hätte man dann damit auch schon alleine hierüber ein Zehntel dieser 2000 Tonnen eingespart bekommen?
Wo, zwischen vielleicht 600 und 1000 Tonnen, könnte die neue Nutzlastobergrenze für solch neuartige Hybdridfahrzeuge der Raumfahrt von morgen liegen?

Finanzierbarkeit: Eine Hochgebirgs-Rail-Gun würde auch andere Kundenkreise als die der heutigen Raumfahrtbetreiber adressieren. Der heutige Kunde des Vollraketenprinzips steckt schließlich, ebenso wie der der Firma Stratolaunch, im harten Kostenwettbewerb.
Die bislang vergeblich auf Schwerlastfähigkeit wartende Kundschaft trat demgegenüber kaum öffentlich in Erscheinung.
Unter Umsetzung dieser Idee würde man es jedoch recht schnell mit diesen anderen Akteuren zu tun bekommen, die zur Verwirklichung ihrer visionären Geschäftsideen, gerne auch Mondpreise bezahlen werden. Hauptsache sie bekommen darüber, den Großteil und die lukrativsten der verfügbaren Weltraumclaims als erste für sich abgesteckt.

Erst der Aspekt der "erreichten echten Schwerlastfähigkeit" aktiviert noch mehr superreiche Milliardäre und eine Reihe unterschiedlichster Finanzierungskonsortien für die vielversprechensten Ideenansätze im künftigen Weltraumbusiness. Zudem weckt solch ein XXL- Transportangebot dann wohl sicherlich auch viele, nach neuer und erhaltener Bedeutungsführerschaft strebender, Staaten. Und denen stehen quasi unendliche Finanzierungsmittel zur Verfügung.
Es darf davon ausgegangen werden, das von dieser Seite zugunsten neuer Führerschaften, dem nationalen Prestige und zukunftsverlangten Wirtschaftsimpulse auch zig mal mehr auf den Tisch gelegt werden wird, als z.B. für den BER-Flughafen oder den Gotthard-Basistunnel.

Das wirkliche goldene Zeitalter der Raumfahrt kann insofern erst mit Überwindung der Performancegrenze starten, welche derzeit noch alleinig vom Vollraketenprinzip diktiert sind.
Welche Riesenprobleme der Menschheit unter tatsächlich ausgebildeter Schwerlastfähigkeit abgeräumt sein könnten, das verdeutlichen die zwei anbei liegenden Graphiken.

Eine weitere, zum Thema "Endlagerung des Atommüll im Weltall", ist noch in Vorbereitung.

Das Downsizing der bordeigenen Antriebe, zwecks Ausbildung echter Schwerlastfähigkeit droht,  für massereiche Fernflugmissionen aber im Nebeneffekt eine mangelnde Fähigkeit zur Selbstabbremsung aufzuwerfen, welche mit Großfrachten im Zielgebiet angelangt dort jedoch zwingend notwendig sein wird.
Wie diesem Problem, unter Verwendung des Katapultprinzips, entgegenzuwirken ist, das möchte ich mit einer noch beigelegten Liste "Pendelverkehr Earth2Mars und Mars2Earth" kurz darstellen.



Offline Hugo

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>> Denn seit den Zeiten der Saturn5 konnte dessen Nutzlastmaximum nur
>> unwesentlich vorangetrieben werden. Jede weitere signifikante Nutzlastaufstocken
>> treibt hier die Spacefracht-Stückkosten je Kilo entlang exponentieller Kostenverläufe
>> in den Nichtakzeptanzbereich heutiger Kundenkreise.
>> Das von Braun-Team hatte einst die Raketengleichung bestmöglich in ein
>> technisches System umgesetzt bekommen. Derart gut, das hier quasi keinerlei
>> große Spielräume für deutliche Performancesprünge mehr verblieben sind.
Ähm, von welchem Jahr redest Du? Bei mir ist es 2019. Heute haben wir Raketen, welche landen können, und dann 10 mal neu starten können. Also sie können die Nutzlastkapazität 10 mal ins All schicken.

>> Ein soll ein (..) Steigphase, (...) Reststreckenüberwindung
So funktioniert das im Weltall leider nicht. Eine Beschleunigung im Apogäum steigert das Perigäum. Eine Beschleunigung im Perigäum steigert das Apogäum. "Seigen" sollte eine Rakete normal gar nicht, oder maximal um die Luftschichten in den untersten wenigen Kilometern schneller zu  überwinden.

>> , welcher auf Gipfelhöhe (oberhalb 5.000 Meter) eine schnell
>> öffnende Verschlussklappe aufsitzt.
Dann würde es vermutlich einen Knall geben und Dein Satellit ist zerstört.


>> Eine Hochgebirgs-Railgun wäre demgegenüber nahezu vertikal aufgerichtet.
Wenn Du eine Railgun vertikal ausrichtest, dann fällt Dein Satellit wieder zurück auf die Erde.


>> Angenommen man würde eine historische Saturn5 zu einem im Gesamtgewicht gleichen,
>> aber katapulttauglichen Hybriden umbauen, der vom Hochgebirge aus verschossen
>> wird. Wo läge dann wohl dessen neues Nutzlastmaximum?
0 kg. Sie wird sofort explodieren.

>> Eine weitere, zum Thema "Endlagerung des Atommüll im Weltall", ist noch in Vorbereitung.
Ähm. Atommüll sollte man nicht per Katapult hoch schicken. Der fällt auch wieder zurück zur Erde. Das ist nicht  gut. Außerdem hat man dann ganz schnell alle Atomkraftgegner gegen sich.

Vorschlag: Mache doch mal eine kleine Skizze. Eine Skizze, welche die Erde, Deine Railgun und deine geplante Umlaufbahn zeigt.

Jetzt versehe die Skizze bitte mit Zahlen. Also wie schnell ist "das Projektil" am Ende der Railgun, welche Umlaufbahn soll sie am Ende haben, wie der CW-Wert Deines "Projektils" ist (bzw. wie er sein sollte) usw.

Diese Skizze könntest Du hier posten. Dann kann man da drüber Diskutieren. Aber ich vermute mal ganz stark, sobald Du anfängst einzelne Punkte zu berechnen, wird sich herausstellen, daß das Prinzip nicht funktioniert.

Denn: Mit einer Railgun hast Du viele Probleme, welche Du nicht lösen kannst:
1) Die G-Kräfte während der Beschleunigung sind zu groß.
2) Die Railgun ist zu kurz.
3) Die G-Kraft wenn die Railgun aus dem Vakuum auf die Luft kommt ist zu groß
4) Die Luftreibung ist zu groß
5) Die G-Kräfte während der Luftreibung ist zu groß
6) Der erreichte Orbit eines Festkörpers fällt immer wieder zurück zur Erde.
7) Wenn man eine Rakete hoch schießt ist 1 bis 5 noch viel schlimmer.

Daher nochmal meine Bitte: Skizziere bitte mal Deine Railgun und Deine gewünschte Flugbahn und möglichst viele Werte (Länge, Wunsch-Geschwindigkeit, Wunsch-Orbit, usw.)

Offline Klakow

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So ein Konzept lässt sich nur auf einem Körper der nahezu keine Atmosphäre hat durchführen, also z.B. auf dem Mond und da bitte mittels einer fast liegenden Strecke.
Das was man tatsächlich machen könnte ist ein sehr hoch gelegenen Startplatz zu bauen der wenn möglich noch dicht beim Äquator liegt, also z.B. in den Anden auf 5000müNN. Da gibt es gute Plätze südlich des Äquators in sehr trockenen lagen.
Ein Problem ist sicher der Zugang zu diesen Regionen, Platz gibt es dagegen mehr als genug.
Der Vorteil liegt hier zum einen das man die Arbeit um die Rakete 5000m höher starten zu lassen einspart und MEQ ist auch fast nur halb so groß. Was aber ein Problem darstellt das eine Landung des Boosters nur RTLS Sinn macht. Ein weiteres Problem sind Erdbeben.
Richtig Sinn würde das aber wohl erst dann machen, wenn die von mir geschätzten 10% mehr Nutzlast die höheren Kosten für die Infrastruktur aufwiegen. Höher als 5000m ist dann auch wieder schlecht weil man dort mit Schnee, Eis und der sehr dünnen Luft zu kämpfen hätte.
Eine sehr interessante Alternative wäre hier Hawaii, aber das gäbe mächtig Ärger mit den Ureinwohnern.

Offline Sensei

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ODER man geht wirklich all in und etwas weiter in die Zukunft:

2000 km lange, horizontale Beschleunigungsstrecken auf 80 km Höhe als Lofstrom Loop.
Oder die StarTram, welche noch etwas näher am Konzept des OP liegt aber dann meist ein StarHook braucht um Effektiv zu werden.

Isaac Arthur erklärt diese beiden Konzepte hier kurz im Video (er hat auch noch längere dazu):
https://youtu.be/zSimYARyL2w

Offline McPhönix

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Ich hatte beim Lesen dummerweise schon angefangen, Text zu formulieren.
Nun ja, dann sah ich Hugos Analyse. Arbeit gespart, weil - dieser ist kaum was hinzuzufügen....

Allein schon die Röhre. Unter 9 Meter braucht man ja nicht erst anfangen. Musk hat die Latte hochgelegt. Nicht mal unbedingt nur wegen der Nutzlast an sich, sondern wegen dem optimalen Verhältnis Höhe zu Durchmesser !
Es ist nämlich auch die innere Struktur nicht trivial, wenn es um Anordnung und (bei bemannt) Lebensverhältnisse geht.

Also 9 Meter.
Vacuum drin: Wie teuer darf die Röhre werden ? ;)  ::)
halber Atm. Druck : Nicht viel gewonnen, fast alle Probleme da, Reibung pro Geschwindigkeit, was solls. Was bleibt, ist das Gewicht der Luft, die in eine Öffnung von 9 Meter Durchmesser bei Toröfnnung rein fällt. Auf das Projektil drauf.

Nebenbei ist die Nutzlast heutzutage, wenn auch vergleichsweise scheinbar kein großer Zuwachs, nicht das Hauptproblem. Sondern man achtet vernünftigerweise mehr auf Handling, Exaktheit, Verfügbarkeit und jetzt auch Wiederverwendbarkeit. Und macht halt nicht das Schnelle starke Ding. Besonders bei der bemannten Raumfahrt geht Sicherheit vor, was wiederum Abstriche bei dem Nutzlastgewicht erfordert und das wiederum halt Warten auf die nächstgrößere Rakete mit sich bringt.
Ich glaube nicht, daß heutige Astronauten sich bei allem Enthusiasmus nochmal in Apollo Kapseln und auf eine Saturn setzen würden. Und wenn, müßte man ihnen die Flausen ausreden. :D :D
Wenn ich nur dran denke an die Probleme mit den F1 - Duschköpfen....

Ich habe keine Angst vor Aliens. Solange sie über uns lachen wegen dem kleinkarierten Raketengefummel auf der Erde, tun sie uns nix.

Offline Schneefüchsin

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Es werden im Moment Anbieter für große Nutzlasten geschaffen, Falcon Heavy, New Glenn, SLS, BFR/BFS, dennoch halten sich die Kunden für diese Systeme zurück, weil für sie die großen Nutzlasten nur Sinn machen, wenn sie günstig sind, Mondpreise sind da kaum zu hohlen. Wenn sie ausgeben könnten was sie wollten, dann würden sie wohl längst selbst entwickeln.

Die Impulserhaltung sagt nur, dass wenn es keine Kräfte auf das Objekt einwirken die Geschwindigkeit und Richtung erhalten bleiben.
Die Energie bei gleichbleibender Geschwindigkeit ist proportional zur Masse.
Die Energie bei einer Höhenänderung ist Proportional zur Masse.
-->  Höhere Masse bei gleicher Geschwindigkeit und gleichem Austrittswinkel endet in gleicher Gipfelhöhe, nur die Luftreibung würde hieran etwas ändern.

Stratolaunch und andere Starts von Flugzeugen aus sind nicht ganz Horizontal, sondern meist leicht nach Oben gewinkelt, dies macht auch Sinn, für einen Erdorbit ist das meiste an Energie in Horizontale Geschwindigkeit zu investieren, anstatt in Höhe. 9 zu 1 oder noch schärfer sogar.
Eine Rakete braucht am Anfang so viel Treibstoff wegen des Gravitationsverlusts. Oder anders ausgedrückt, sie versucht senkrecht sich gegen die Schwerkraft zu stemmen, und steht in der Luft wenn der Schub nicht reicht, also viel Schub für den Status Quo erhalten beim Start. Deswegen ist ein Flugzeugstart auch etwa eine halbe Erststufe an Treibstoff wert. Von Rakete zu Rakete natürlich unterschiedlich.

Railguns und Raketen sind nicht gut miteinander, da hier extreme Magnetfelder auftreten. Einem Projektil ist das Egal, Hightech in der Rakete nicht so sehr. nimm lieber Magnetschwebetechnik, die Felder sind deutlich schwächer und kommen auch auf hohe Geschwindigkeiten. Die Antriebskraft ist zwar nicht so gut bei kleinen Objekten, aber für eine Rakete kann der Schubschlitten unter ihr auch gerne Groß sein und im Gegensatz zu einer Waffen-Rail Gun  reichen unter 5G Beschleunigung anstatt Hunderte G.

Überschall in 5km Höhe mit einem  riesigen Objekt ist übel und sehr schädlich für die Umgebung. Die Concorde durfte nicht ohne Grund nur über den Ozeanen überschall fliegen. Über vielen Ländern gilt auch ein Überschallflugverbot, und hier reden wir von Höhen von 10 bis 20km.

Ein Start aus 5km Höhe mit mehrfacher Schallgeschwindigkeit würde eine immense Bremswirkung auf deine Rakete haben, Die sie vermutlich zerlegen, Heutige Raketen drosseln während des Aufstiegs um den Punkt des höchsten Lustwiederstandes, damit die Belastungen akzeptabel bleiben, Antriebstechnisch und Strukturell.

Dein Konzept gibt es schon x mal, und ich glaube hier wurde schon dein Video gemacht, sorry.
Ja, englisch, aber Bilder sagen mehr als 1000 Worte. Es gibt auch Videos wo es aus einem Berg raus geht aber in diesem Konzept umgeht man dies und damit auch den Schädigungen in der Umgebung.


https://www.youtube.com/watch?v=J1MAg0UAAHg (eigentlich hatte ich gedacht das Video wird so nicht eingeblendet)

Ps.: Ja, das klingt jetzt etwas böse aber die beste Lösung für dein Dolmetscherproblem ist selber lernen, da die meisten Quellen auf Englisch sind. Ein richtiger Dolmetscher ist auf Dauer nur die zweite Wahl, oder gar dritte.

Grüße aus dem Schnee.

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