Balon v orbito in zakaj ne

Atmosfera se ne zacne in konca binarno. V stilu - tu je se, 100m ali 100 km visje je pa ni.

Tako tudi ISS izgublja na visini zaradi aerodinamicnega draga, ceprav je 300+ km visoko.

Jasno je, da bi slo s takim binarnim pristopom balon-raketa zelo tezko, ce ne nemogoce.

Torej ne gre za to, da bi z balonom prisli do tocke A, nato pa se odraketirali do tocke B, nekje visoko v orbiti.

Gre za to, da stvar zacne kot cisti balon in se zaradi manjse gostote dviga do tocke A. Tam prizge raketni-ionski motor, vendar ne poskusa "biti raketa". Ionski motor uporablja le zato, ker je ta lahko lahek in ker lahko deluje na elektriko, ki ji je na tej visini lahko veliko. Tudi "goriva" ne rabi nujno, saj lahko uporablja kar plin v okolici.
Poleg tega ima tak motor lahko bistveno visje potiske od klasicnega ionskega motorja, ce si stvari pametno zastavijo.

Pri klasicni zasnovi motorja se trudijo imeti cimvisjo hitrost curka ionov, kar zahteva veliko energije, ZELO drage snovi (recimo cezij) ki sicer dajejo motorju visok specificni imppulz, vendar beden potisk. Pri klasicni zasnovi je to potrebno, ker je reakcijska masa omejena. Ce hoces da motor dela dolgo in da ima malo maso vse skupaj, mora biti curek hiter. To je lahko pomembno za sonde, ki jih posiljas dalec v osoncje in morajoo biti obenem samozadostne in lahke.

Tu so pa pogoji drugacni. Sonca je veliko, tudi plina je kar nekaj (ne vem sicer koliko je ioniziran). Na samem zacetku je vloga ionskega motorja cisto simpl in takega bi si lahkko sestavil vsak, ki je doma sestavil bio-ionzator. Pri napetosti samo nekaj kV nastane v zraku pri normalnem pritisku 1 bar z roko zaznaven ionski veter. Motor, ki bi imel na razpolago recimo 1 MW moci in ki se ne bi v zacetku trudil doseci blazne izstopne hitrosti curka, bi verjetno lahko dosegel soliden potisk. Ta bi pospesil balon, vendar bi se hitrost hitro ustalila, ker bi preostanek ozracja, ki kokneckkoncev v tem trenutku drzi balon "v luftu" s svojim trenjem povzrocal nasprotno silo.

Ce bi bil balon neaerodinamicne oblike, bi se tu zgodba koncala. Dobili bi balon, ki se po polzje premika visoko v ozracju.
A ce je balon oblikovan kot krilo, potisk motorja v horizontalni smeri povzroca ob primernem naklonu "krila" dodatno silo dviga in tako en del potisne sile motorja dviga balon-krilo.
S tem cela zadeva prihaja v visje plasti ozracja, ki so redkejse in je tako aerodinamicni drag s tem manjsi. Seveda takrat tudi sorazmerno upada vzgonska sila balona, vendar se lahko giblje stvar pri istem otisku motorja z visjo hitrostjo in zato efekt krila prinese vec sile.

Ideja je torej, da zadeva zelo postopoma neha biti balon in postane krilo, nato se pa postopoma neha zanasat na efekte krila in zaupa v svojo zadostno kotno hitrost ter se prepusti neskoncnemu prostemu padu.

Kar se visokih hitrosti v ozracju tice, po moje te ne bi smele biti problem, ce je ozracje zadosti redko. Stvar gre vedno samo tako hitro, kot si lahkko privosci z ubogim pritiskom ionskih motorjev, ki bo znasal v najboljsem primeru mogoce 100N, verjetno veliko manj.

Najvecje vprasanje je, ali sploh obstaja enacba, ki bi zadovoljila na tak nacin vse nastete pogoje in ustvarila zadosti veliko krilo, zanj pa zadosti mocan motoer, vse skupaj napajano iz razpolozljive energije, ki bi se lahko dvignila v LEO...

Spejšatl, ki se s hitrostjo 6 km/sekundo vrača iz orbite, se kar precej greje. To se začne na višini kakih 80 km. Tam je zračni tlak skoraj 100 000 manjši kot tule in par stokrat manjši, kot na višini 40 km.

Torej bi moral balon na 80 km izpodrivati pri isti masi kar nekaj 100 krat več, kot pri 40 kilometrov!

Zračne molekule, ki bi pri hitrosti 6 km/sekundo trkale ob balon, bi ga segrevale do 1000+ (in dezintegrirale kot Kolumbijo), razen če bi imel brezhibno keramično oblogo.

Zdaj pa je zadevo treba pospešiti še do 8 km sekundo, torej mu dodati skoraj toliko enegije, kot jo že ima. Pa kompenzirati izgube zavoljo aerobrakeinga.

No go.

Aja, kaj pa če ga z ionskimi motorji usmerimo naravnost navzgor, iz atmosfere?

Odštej najprej pospešku ki ga dobiva od teh motorčkov še težnostni pospešek, praktično enak kot tule.

No go.


Res. Trust me.

Spejšatl, ki se s hitrostjo 6 km/sekundo vrača iz orbite, se kar precej greje. To se začne na višini kakih 80 km. Tam je zračni tlak skoraj 100 000 manjši kot tule in par stokrat manjši, kot na višini 40 km.


Ce mislis na tisto zacetno zaviralno fayxo, v kateri pride do ionizacije in stvar zgubi radiozvezo, se tam shuttle bore malo greje. Zaradi full dobre izolacije, ki mu jo dajejo ploscice predvse greje ozracje. Bolj malo (procentualno) te toplote ostane v Shuttleu.

Ne glede na to je res, da je plinska plazma izredno agresivna in da bi pozrla vse, kar ji pride na pot.

Vendar je temperatura poleg Shuttleove hitrosti in oblike pogojena z njegovo ogromno gostoto. Tako se efektivno zaviranje Shuttlea zacne relativno pozno. Ce bi bila povrsina njegovega krila veliko vecja, bi se zaviranje lahko zacelo veliko visje in Shuttle bi imel vec casa zato, da se losa energije. Poleg tega bi jo izgubljal na vecji povsrsini. Shuttle je namenoma narejen s totalno bednimi letalnimi lastnosti in stvar pada skozi ozreacje skorajda kot cegu, ne pa letalo- zaradi tega, da pristajalni del ostane v rangu nekaj ur.

Takko je pristajalni del relativno kratek. Stvar se losa dela svoje hitrosti in zato zacne zgubljat visino. Nato caka, da visina zadosti pade in se upor atmosfere obcutno poveca. Ko se to zgodi, zelo dvigna nos in s svojim napadnim kotom (nos glede na horizontalo) nadzoruje hitrost padanja, obenem pa tako gretju izpostavlja svoj najodpornejsi,spodnji, crni del trupa.

Ce bi bilo krilo veliko vecje, sploh ne bi rabili posebnih ploscic. Vendar bi to seveda dvignilo maso vozila na povsem neprakticno raven (ze tako tehta sistem oklepov IIRC nad 15 ton) in zelo bi podaljsali cas pristanka- z nekaj ur na verjetno skorajda dan.

Taka resitev je bila ze dolgo casa v studiju, mislim na "inflatable shield" in dolocene glave jokajo, da so se takrat veliko prehitro odlocili za tale "tile system" zaradi povsem politicnih odlocitev- sanj, da bodo lahko leteli na vsaka dva tedna in dosegali 20x nizje cene dviga bremena.
Mislili so, da bodo ploscice najboljsa resitev, ker so "trajne" in bo najmanj dela z vzdrzevanjem. No, vsi strokovnjaki so ze takrat vedeli, da to SPLOH ne bo res, a so bili raje tiho. Tako iamjo sedaj s temi ploscicami veliko vec dela kot s cimerkoli drugim.

Cisto tako kot zanimivost, obe strani, torej takko Rusi kot Ameri so se igrali tudi z moznostjo vodnega hlajenja, ki sploh ne bi zahtevalo posebnih materialov v oklepu. V tem sistemu bi skozi oklep napeljali zelo razvejan sistem cevk, skozi katere bi kapljala voda. Ta bi se seveda ob stiku s plazmo takoj uplinila in naredila zelo efekten plinski scit, tako da se plazma nikoli ne bi letala niti dotaknila.

Kar je se lepse, za to resitev niti ne bi rabili veliko vode, vsekakor veliko manj od prihranka pri masi scita, mogoce recimo kako tono ali dve vode. In zakaj niso sli v to ? Ker niso mogli garantirati natopljenost vseh delov scita z vodo v vsakem trenutku ob precej tocno dolocenem pretoku, zamasene cevka bi lahko vsem zelo pookvarila dan, podobno kot se je to ze zgodilo pred letom. Poleg tega se jim je mudilo in prvo serijo ploscic so imeli ze na mizi...


Torej bi moral balon na 80 km izpodrivati pri isti masi kar nekaj 100 krat več, kot pri 40 kilometrov!


Samo ce tudi na 80 km leti zaradi plinskega vzgona in ne zaradi vzgona krila. V slednjem primeru bi pac moral generirati vec tega vzgona, torej bi se moral za isti efekt ob enakem vpadnem kotu hitreje gibati skozi atmosfero.


Zračne molekule, ki bi pri hitrosti 6 km/sekundo trkale ob balon, bi ga segrevale do 1000+ (in dezintegrirale kot Kolumbijo), razen če bi imel brezhibno keramično oblogo.


ISS nima keramicne obloge, pa trka z atmosferskimi molekulami ves cas. Njeni solarni paneli so zelo tanki in ce bi bilo res, kar pravis, bi jih to trenje prakticno v trenutku ubilo.


Zdaj pa je zadevo treba pospešiti še do 8 km sekundo, torej mu dodati skoraj toliko enegije, kot jo že ima. Pa kompenzirati izgube zavoljo aerobrakeinga.


Samo pospesevanje na to hitrost je za ionski motor izvedljivo. Ionski motorji so zelo potrpezljiva bitja. Edini problem je aerobraking.



Aja, kaj pa če ga z ionskimi motorji usmerimo naravnost navzgor, iz atmosfere?

Odštej najprej pospešku ki ga dobiva od teh motorčkov še težnostni pospešek, praktično enak kot tule.

No go.


Ta varianta verjetno niti nikoli ni bila v igri. Ce bi jim bilo do tega, bi uporabili kemicne motorje, vendar je dobicek verjetno vprasljiv.
Takrat bi bilo bolje, ce bi konvencionalno raketo dvignili skozi ozracje na platformi balonov in jo tam izstrelili, vendar bi dobili bolj malo, rayen kupa glavobolov. Raketa iam sicer izgube zaradi trenja v ozracju, vendar prebije kriticne dele atmosfere relativno hitro, pa tudi pardeset kilomertov gor ali dol je le delcek potrebne poti in razlike hitrosti. Ni torej zadosti, da dvignes telo nekaj sto kilometrov nad tlemi, treba mu je dati tudi zelo visoko "vodoravno" hitrost, da ne pade nazaj na tla.


Tu torej ne razmisljajo o tem nacinu sparanja na prvih nekaj deset km poti ampak o izkoriscanju atmosfere na zelo visokih visinah in doseganju visokih hitrosti v zelo, zelo razredcenih plinih.

ISS je na višini preko 300 kilometrov. To pomeni milijonkrat redkejši zrak, kot na višini 200 kilometrov in bilijonkrat redkejši kot na višini 100 km.

Noben satelit ne more pod 100 kilometrov, ne da bi kar brž prišel na Zemljo, razen če ima s sabo kakšen pogon.

Balon bi zato moral doseči orbitalno hitrost še ko ima vzgon. Balonski vzgon ali vzgon krila, vseeno. Pri obeh vzgonih gre za trke z molekulami zraka. Če potuješ mnogo kilometrov na sekundo, se ti ta zrak zdi vroč - greje te. To plačaš z zmanjšanjem svoje kinetične energije, kar lahko nadomešča le močan raketni motor in ne šibek ionski.

Ionski pogon te lahko sicer pospeši do skoraj svetlobne hitrosti, vendar daleč od gravitacijskega polja, ki te vleče nazaj dol. Če je tako polje v bližini, moraš najprej anulirati tega. Moraš imeti najmanj 10 Newtonov potiska na vsak kilogram teže.

Po moje je še vedno težava v količini razpoložljive energije, ki jo lahko priskrbijo sončne celice, posebno, če je plovilo obteženo s tovorom in je dotična energija edini vir za pogon.

Imas stiri parametre: hitrost plovila, temperaturo/upor, vzgon in visino/pritisk

povecevanje hitrosti pomeni povecevanje vzgona in povecevanje temperature

povecevanje vzgona pomeni dviganje in torej padanje pritiska in s tem tudi temperature, ki nastane ob trenju z zrakom

ko s pritiskom padata tudi upor in temperatura lahko spet pospesujes, da ohranjas tisto malo vzgona, kolikor ga potrebujes za pocasno dviganje

v vsakem primeru dviganje temperature pomeni tudi vecanje sile vzgona, saj je oboje direktno vezano na pritisk plina na steno balona, kar pomeni da bolj ko je vroce, hitreje lahko toploto izgubljas, saj je pritisk okoli tebe vedno manjsi, hkrati pa se toplota vedno pocasneje dodaja balonu iz natanko istega razloga.

ko je zrak dovolj redek, da zmanjka vzgona, je tudi dovolj redek, da ni vec zracnega upora, ki bi lahko kljuboval motorju

Edino, kar je pa seveda treba izracunat, je to, a je hitrost, s katero dosezemo vrhnje plasti atmosfere (takrat ko nam vzgon zaradi preredke atmosfere ne zadosca vec za dviganje) dovolj visoka, da lahko recemo, da smo ze v orbiti (in izvajamo neskoncni prosti pad). Ce ja, potem je treba seveda z motorjem se naprej pospesevati, saj zracni upor tam se vedno obstaja, dvigamo pa se lahko tako, da motor potiska rahlo nad tangento orbite.

Dolgo je ze, kar sem racunal podobne reci, tudi s podatki nisem dovolj zalozen, zato bom nalogo prepustil bralcu. Zanimivo bi bilo narisat grafe, po njih bi hitro prisli do ugotovitve, a je ideja izvedljiva, ali ne.

Aja, se to, tale preskok iz atmosfere je seveda zvezen, zato lahko pospesek motorja pocasi usmerjamo vedno bolj nad horizont. To ni dovolj in se vedno moramo zracunat, s kaksno hitrostjo pridemo do tam, kjer pocasi zacnemo zavijat stran od atmosfere z motorjem in ne vec z aerodinamicnim vzgonom.

Potem to ocitno ne bo slo tako :)

Bo treba kar implementirat orbitalno dvigalo.

p.s.
v zacetku prejsnjega stoletja je za H veljala vrednost okrog 10

Na vsakih dodatnih 5 km višine se zračni tlak razpolovi. Zato je na višini 100 km milijoninko tistega pri morju.

Moč vetra je sorazmerna s tretjo potenco hitrosti in s tlakom. Veter ki nam piha nasproti, ko dosežemo orbitalno hitrost 8 km/s na 100 km je torej enako močan kot tisti, ki piha z 250 km na uro na morju.

Tolk v nadaljne premisleke.

Kar se pa space lifta, žičnice, elevatorja tiče - navdušen sem nad njim že odkar sem prebral Rajske vodnjake. "Ceylon je 40 milj zahodno od raja. Še se sliši šumenje rajskih vodnjakov." Tako je opisal Sri Lanko nek srednjeveški Evropski misionar. To je iz Clarkeove knjige, kjer postavijo tak lift najprej na Ceylonu. Ma - navdušenje me še ni minilo niti po desetletjih!

Ali za balon ne velja podobno kot za podmornico. Če se balon dvigne previsoko, eksplodira, zaradi prevelike razlike tlaka med plinom v balonu in okolici, enako kot pritisk vode zdrobi podmornico, če se potopi pregloboko ? Oziroma, če naredimo balon tako trden, da bo zdržal razliko tlakov, ne bo vzletel. Če pa bi spusčali plin in ohranjali razliko tlakov v znosnih mejah, pa bi vzgona kmalu zmanjkalo.


Zakaj bi vzgona zmanjkalo ? Poglej si amlo meteoroloske balone. Ko jih spustijo na zemlji v luft, so skorajda prazni. Napihnejo se sele visoko nad zemljo, kjer je okolisnji pritisk veliko nizji.

Poleg tega, mnogi baloni so odprti, sploh tisti, ki jih vidimo na prireditvah z gondolo. Ce bi bilo po tvoje, ti sploh ne bi mogli leteti.


Mislim, da z balonom ne pridemo na orbito, tudi če ima nek raketni motor - preveč upora ali teže


Povsem veljaven pomislek. Po moje, ce bo kaj pokopalo to idejo, jo bo ravno to.


, nekako tako kot propelersko letalo ne more leteti, v vodoravnem poletu, hitreje od hitrosti zvoka.


O.K., ceprav ne vem, ce je to povsem res. A tudi ce je, saj ima reaktivec ravno tako propelerje-turbine. Zakaj pa on lahko leti hitreje od zvoka ?