Zweistufig-zu-Orbit - Two-stage-to-orbit
Ein zweistufiger-to-Umlaufbahn ( TSTO ) oder zweistufigen Raketenstartfahrzeug ist ein Raumfahrzeug , in der zwei verschiedene Stufen Vortriebs nacheinander bereitstellen , um Umlaufgeschwindigkeit zu erreichen. Es ist eine Zwischenstufe zwischen einer dreistufigen Orbit- Trägerrakete und einer hypothetischen Single-Stage-to-Orbit- Trägerrakete (SSTO).
Beim Abheben ist die erste Stufe für die Beschleunigung des Fahrzeugs verantwortlich. Irgendwann löst sich die zweite Stufe von der ersten Stufe und kreist weiter aus eigener Kraft.
Ein Vorteil eines solchen Systems gegenüber einem einstufigen Orbit besteht darin, dass der größte Teil der Trockenmasse des Fahrzeugs nicht in die Umlaufbahn befördert wird. Dies reduziert die Kosten, die mit dem Erreichen der Umlaufgeschwindigkeit verbunden sind, da ein Großteil der Struktur- und Triebwerksmasse ausgestoßen wird und ein größerer Prozentsatz der umkreisten Masse die Nutzlastmasse ist.
Ein Vorteil gegenüber drei oder mehr Stufen ist eine Reduzierung der Komplexität und weniger Trennereignisse , was Kosten und Ausfallrisiko reduziert.
Beispiele
- Historisch
- Kosmos-3M
- Delta IV (mittlere Variante)
- Falke 1
- Saturn IB
- Saturn V-SL1 (nur Skylab- Start)
- Titan II GLV
- Tsyklon-2
- Zenit-2 und Zenit-2M
- Strom
- In Entwicklung
Es ist nicht immer klar, wann ein Fahrzeug ein TSTO ist, da beim Start Strap-on- Boosterraketen verwendet werden . Diese werden zu Beginn des Fluges abgeworfen und können als zusätzliche Stufe betrachtet werden oder nicht, wenn das Kerntriebwerk (die Kerntriebwerke) weiter feuern. Diese werden manchmal als halbe Stufe betrachtet, was zu dem Ausdruck eineinhalb-Stufen-zu-Orbit (1.5STO) führt, zB für die Atlas-Rakete , die eine einzelne Kernstufe mit zusätzlichen Boostern war. In ähnlicher Weise können zweistufige Designs mit zusätzlichen Boostern als 2,5-stufige Raketen bezeichnet werden, z. B. die Ariane 5 oder die meisten Atlas V- Varianten (alle außer 401 und 501).
Wiederverwendbare Startsysteme
In Bezug auf ein wiederverwendbares Startsystem wird dieser Ansatz oft als Alternative zu Single-Stage-to-Orbit (oder SSTO ) vorgeschlagen. Seine Befürworter argumentieren, dass ein solches System weiter weg von den Grenzen seiner Strukturmaterialien gebaut werden kann , da jede Stufe ein niedrigeres Massenverhältnis als ein SSTO-Startsystem haben kann. Es wird argumentiert, dass ein zweistufiges Design weniger Wartung, weniger Tests, weniger Ausfälle und eine längere Lebensdauer erfordern sollte. Darüber hinaus ermöglicht der zweistufige Ansatz, dass die untere Stufe für den Betrieb in der unteren Erdatmosphäre optimiert werden kann, wo Druck und Widerstand hoch sind, während die obere Stufe für den Betrieb in den Nahvakuumbedingungen des späteren Teils der Erde optimiert werden kann starten. Dies ermöglicht eine Erhöhung des Nutzlast-Massenanteils eines zweistufigen Fahrzeugs gegenüber einstufigen oder eineinhalbstufigen Fahrzeugen, die in beiden Umgebungen mit derselben Hardware funktionieren müssen.
Kritiker argumentieren, dass die erhöhte Komplexität bei der Entwicklung zweier separater Phasen, die interagieren müssen, die Logistik für die Rückführung der ersten Phase zum Startplatz und die Schwierigkeiten bei der Durchführung inkrementeller Tests auf einer zweiten Phase diese Vorteile überwiegen. Bei flugzeugähnlichen Unterstufen argumentieren sie auch, wie schwierig und teuer Hochgeschwindigkeitsflugzeuge (wie die SR-71 ) zu entwickeln und zu betreiben sind und stellen Leistungsansprüche in Frage. Viele 'Mini-Shuttle'-Konstruktionen, die Transportflugzeuge als erste Stufen verwenden, haben auch ähnliche Probleme mit Eis/Schaum wie das Space Shuttle, da sie auch einen großen externen Tank für ihren Treibstoff mitführen müssen.
Ab 2020 ist SpaceX der einzige Startanbieter, der mit dem zweistufigen Falcon 9 und dem 2,5-stufigen Falcon Heavy die Wiederverwendung eines Orbitalfahrzeugs in der ersten Stufe erreicht hat . Rocket Lab hat eine erste Stufe ihrer Elektronenrakete geborgen , aber nicht wieder geflogen.
Helikopterähnliche erste Stufe
Aus der Sicht, dass flugzeugähnliche Operationen nicht zu einem flugzeugähnlichen Aussehen führen, haben einige wiederverwendbare TSTO-Konzepte erste Stufen, die als VTOL- oder VTOHL- Flugzeuge operieren . Der DC-X hat bewiesen, dass das VTOL-Optionsdesign praktikabel ist. Andere Designs wie das DH-1- Konzept gehen noch einen Schritt weiter und verwenden einen „Pop-Up/Pop-Down“-Ansatz, der die Umlaufbahn zu einem Punkt etwa 60 km über der Erdoberfläche befördert, bevor sie zur Startrampe fällt nochmal. Beim DH-1 handelt es sich bei der Oberstufe praktisch um einen „fast SSTO“ mit realistischerem Massenanteil, der auf Zuverlässigkeit optimiert wurde.
Flugzeugähnliche erste Stufe
Einige TSTO Designs umfassen ein Flugzeug -ähnlichen erste Stufe und eine Rakete -ähnlichen zweite Stufe. Die Flugzeugelemente können Tragflächen, luftatmende Triebwerke oder beides sein. Dieser Ansatz ist attraktiv, weil er die Erdatmosphäre von einem Hindernis in einen Vorteil verwandelt . Ab einer bestimmten Geschwindigkeit und Höhe verlieren Flügel und Scramjets ihre Wirkung, und die Rakete wird eingesetzt, um die Reise in den Orbit abzuschließen.
Saenger (Raumschiff) gehörte zu den ersten Konzepten dieser Art.
Das für den Ansari-X-Preis entwickelte erfolgreiche private suborbitale Raumschiff SpaceShipOne hat zwar kein Orbitalfahrzeug, aber gezeigt, dass ein zweistufiges System mit einem geflügelten Flugzeug als "untere Hälfte" den Rand des Weltraums erreichen kann . Das Team hinter SpaceShipOne hat ein kommerzielles suborbitales Startsystem – SpaceShipTwo – basierend auf dieser Technologie gebaut und geflogen .
Die Pegasus-Rakete ist beim Start des Flugzeugs kein zweistufiges System zum Orbit, da die Raketenkomponente selbst aus mehreren Stufen besteht.