空射的太空飞机能否达到逃生速度？

像阿丽亚娜5号这样的火箭重达数百吨，但其中约85％的重量为燃料，有效载荷分数仅为3％（约10-20吨）。

维珍银河公司正在建造亚轨道太空飞机，主要用于旅游目的。它们以大约4马赫的速度飞行，速度太慢，无法逃脱地球。

现在，我想知道在未来20年内，一架空中发射的航天器是否真的可以真正使我们飞向月球-也就是说，它们能否达到逃逸速度？

作为一个附带的问题，它们是否可以：与土星V等标准火箭相比，它们的燃油效率更高还是更低？实际上可以运输多少有效载荷？

信不信由你，如果在最后一刻没有从项目中撤出政府资金，我们可能会在50年前做到这一点。令人沮丧的是，经过科学家，工程师和技术人员的多年努力，在实际的航天器上开始工作后，波音X-20 Dyna-Soar项目被取消。

这是艺术家对X-20的印象：

X-20是一项旨在开发用于轰炸和侦察的轨道太空飞机的军事计划的结果。它被设计成发射入轨道并停留一会儿。尽管它的体积很小（只有35英尺长），但从理论上讲，它将在发射后达到轨道速度。在练习滑行测试期间，它设法达到了18马赫。

X-20的设计目标不是空中发射，而是要在Titan III导弹上发射。但是，类似的设计（如果需要的话，是X-20的前身）被称为Bomi ，其设计就是这样推出的。这里$^1$ 是Bomi（左侧），X-20（最右侧的两个）和Robo（相关项目）的比较：

_{（来源：astronautix.com）}

Bomi有两种版本：亚轨道的一种，最大速度为4马赫；以及一种轨道的，其最大速度为-井眼轨道速度。后者可能是您感兴趣的那种。它长23英尺，有效载荷34,000公斤-足以容纳两枚核弹。

两种版本都可以在某种发射器上发射-展示了波米所连接的更大的运载工具。根据飞行是在轨道飞行还是在亚轨道飞行，也可以更改此设计。

由于为Dyna-Soar（X-20）撤资，波米最终被取消，但后者遭受了同样的命运。但是Dyna-Soar超过了滑行测试阶段（从B-52坠落下来），实际上几乎进入了太空。如果将资源转移到Bomi，它可能会成功。

波米能逃脱地球轨道吗？稍加努力，便可以做到。想想各种火箭家族如何演变。不同的类型可以完成不同的任务。土星五号是小型，亚轨道和轨道火箭的最终结果。如果波米发展到阿波罗计划的程度，我认为它很有可能脱离地球轨道。

$^1$此图片似乎是在公共领域，如规定在这里。

现在，我想知道在未来20年内，一架空中发射的航天器是否真的可以真正使我们飞向月球-也就是说，它们能否达到逃逸速度？

• 向LEO空中发射：立即完成

• 空中发射到月球轨道-是的，但占LEO有效载荷的20％-25％

• 空中发射到月球并返回到LEO：是的，但是LEO有效载荷约为5％

• 当对基于纸张的系统充满热情时，很容易忽略一些实际情况。
  空中发射的车辆质量与机翼返回母舰的母舰质量之比绝对不能忽略。母舰的大小为航天器的质量设定了上限。例如气球，可能会增加重载飞机的有效载荷质量，但这需要一些非常专业的系统。从下面的图看，载人登月返回地面似乎是对空投系统的不切实际的高期望。小型无人飞行器进入月球轨道很实用。

答案是“是的，显然”，因为您可以建造一个比通常使用的更小的月球发射器，并且可以想像地建立一种空中发射的方法。例如，气球发射可以允许非常大的质量，并且已在各种研究中提出。

一般概念的存在性证明是以几种“轨道科学公司”空中发射的轨道飞行器的形式出现的。这些仅用于LEO（低地球轨道）的插入，但在有效载荷较小的情况下可以达到逃逸速度。

下面的材料举例说明了在现有小型空中LEO卫星发射器以及Orbital Sciences，Burt Rutan和Paul Allen于2013年提出的建议基础上可以实际实现的目标。

这表明，一次微不足道的空中发射可以向月球轨道输送约800到1000磅的重物-完全依靠前沿的燃料和系统甚至更大的“母舰”。这比您实际希望将一个人送入月球轨道并返回时要小得多。虽然可以进行缩放，但对于多人登月回程航班似乎并不有吸引力。

空中发射的优点不是本身的高度增加，而是减少的空气阻力的显着增加和速度的小增加。虽然空中发射速度是轨道速度的一小部分，但地面发射器必须在支持最大质量抵抗重力的同时增加初始速度。与空气阻力损失相比，这是很小的，但很有用。空气阻力半左右每15,000英尺，阻力与空气密度成反比。阻力与速度的平方成正比-因此，如果您可以从慢到高开始，则可以大有帮助。最终，您将需要非常大的“水平”速度才能进入轨道，但是起初，要以最小的损失从厚厚的低层大气中站出来非常重要。“母舰”具有机翼和空气呼吸发动机，与将其携带到高海拔和高速度的成本相比，其燃料价格便宜，因此，空中发射系统在合理可能建造的情况下，增加了运载火箭的成本和能力足够大的“母子关系”。对于小型LEO有效载荷而言，它是可行的（并且已使用），对于非常小的一种月球有效载荷而言，它是可行的，但对于月球返回，

这是XL系统“飞马”空中发射的视频。这显示了从发射前到阶段1倦怠的动作。

此处显示了截至2013年5月该功能的“下一个阶段”。
平流发射与轨道-空中发射的高度。我不知道最近发生的事件如何改变了这一点，但这表明了2013年的计划，因此与您的问题有关。

该发射器向LEO提出了13,500磅的有效载荷。
那不是很大-但绝对可以提供有用的有效负载

任务的相对增量V和燃料需求的分配过于复杂，以至于无法给出涵盖具体示例的简单答案，但实际上，从LEO到月球轨道的“增量V”大约占总飞行时间的40％从地球表面到达LEO所需的能量。下表提供了各种轨道和位置转换所需的速度变化。从LEO到月球轨道，这需要3.9 km / s的增量V。

计算火箭速度变化的基本公式是（并非令人惊讶的）“火箭方程：-

• V = Isp xgx ln（M2 / M1）

  Isp =燃料的比冲
  M2 =起始质量
  M1 =结束质量g =重力常数（~~ = 10 m / s / s）

称M2 / M1 =质量比= MR。

使用适度的现代标准Isp 300，以产生例如4000 m / S的delta-V，需要MR约为3.7或最终质量〜= 1 / 3.7 =总数的27％。
因此，上述13,500磅中的25％可以交付到月球轨道
=〜3375磅= 1.5吨
〜= 1.5吨:-)

反过来，这可能会使LEO约返回840磅，而返回地球的则要少得多。下表来自代尔夫特大学页面

有关：

飞马发射器图片与链接

OSC Pegasus-自1990年以来发射了44枚。

飞马座XL-到LEO 443公斤，所以到月球轨道约100公斤。

美国宇航局飞马任务2014

OSC Facebook页面

内部系统增量V图表

来自**维基百科-Delta-v预算
，也用于此堆栈交换中

通过假设火箭飞行路径来开始您的心理模型。航天飞机的速度/高度与时间的关系图：

_{（来源：aerospaceweb.org）}

喷气发动机更好 $Isp$比火箭。让我们将喷气发动机安装在我们的火箭上。Falcon 9的推力约为110万磅，因此我们可以使用GE-90增加12万磅，使海平面上的加速度翻倍。伊隆·马斯克说，猎鹰9和约成本$每整个火箭54米。GE-90的成本约为2400万美元。哎呀。我们为系统增加了50％的成本（不包括集成或开发恢复系统），推力随高度迅速下降。

让我们改用F-414。它的成本约为400 万美元，并且具有适当设计的进气口，最大可用功率可达2马赫，而速度确实有助于我们提高冲压压力，从而为加力冲压冲压式发动机提供动力。我们只需2 百万美元就能获得26,000磅的推力，燃烧时间更长，效果更好，但不是恒星。我们正在举升的火箭仍然必须是巨大的，因此我们的状况还不是很好。

纯冲压冲压机在升空时出现了自重的难题，在最慢的加速阶段增加了更多的火箭，所以也许我们也不能在那儿获胜。Ramjets仅在$Isp$ 大约为0.5马赫，并且不能暂时产生全推力，因为如果它们添加过多的燃料直到柱塞压力足够高，它们就会将空气吹出前部。

因此，..空气呼吸发动机每1美元不会产生大量推力，并且转速范围较低。机翼以约16：1的速度升起，因此我们可以使用引擎缓慢加速并飞行至40,000英尺和1马赫的速度。这不会节省一吨火箭的重量，因为它的重量约为最终速度的1/25倍一分钟的阻力。假设我们减轻了20％的重量，只需要携带90万磅。

一架747-8运载308,000磅的货物，成本约3.5亿美元。比方说，成本和货物的规模呈线性，我们至少看一个$ 700,000,000发射器，一个远离哭泣$ 54米，摊销发射的次数，但这样的开发成本，这对于747-8为$ 37亿 再次，线性地扩展，我们需要大约80亿美元来分散在许多项目上。SpaceX最近从Google和Fido 筹集了 10亿美元，还不够。

使用呼吸飞机来发射有效载荷存在两难选择。您需要价格便宜得多，推力重量比更高的喷气发动机，以零速度产生推力，或者您回到火箭上来，并且正在开发ULA和SpaceX等回收技术。

许多人试图以越来越高的速度假设更长的呼吸飞行路线，但是您开始使用超燃冲压发动机，预冷器，热量管理，而且它似乎永远不会变小，在足够大的范围内运行或达到足够高的速度无论如何对最终的火箭至关重要。