TL;DR: Starship klasės komplektui (~5 000 t pakilimo metu) „pakėlimo pagalba“, anksti pridedanti vos 80–150 m/s, gali duoti +5–13 % naudingosios apkrovos į LEO (ŽŽO) priklausomai nuo vietos. Perkėlus tą patį aparatą į beveik ekvatorines Afrikos aukštikalnes ir sujungus su geriausiu spyruokliniu sprendimu, į LEO pridedate ~20 t ir GEO misijose sutaupote dešimtis tonų propelento, nes išvengiate plokštumos kaitos. Kiekvienas bitas svarbus—ir labai.

0) Prielaidos (kad skaičius būtų galima atkartoti)

• Transporto priemonės masė pakilimo momentu: 5 000 000 kg (Starship + Super Heavy klasė).
• Pakopų našumo modelis (apytikslis, bet nuoseklus):
  • Pirma pakopa (booster): Isp ≈ 330 s, propelentas ≈ 3 300 t, „sausas“ ≈ 200 t.
  • Antra pakopa (ship): Isp ≈ 375 s, propelentas ≈ 1 200 t, „sausas“ ≈ 150 t.
• Δv biudžetas nuo aikštelės iki LEO (įskaitant gravitacijos/pasipriešinimo nuostolius): ~9,4 km/s.
• Žemės sukimasis: greičio priedas prie pusiaujo vs. Starbase (~26° š. pl.) ≈ +47 m/s.
• Ekvatorinės GEO apskritiminimo plokštumos kaitos pranašumas (apogėjuje, sujungtas manevras): ≈ 305 m/s sutaupoma palyginti su 26° š. pl.
• Aukštikalnių aukščio pranašumas (retesnis oras, mažesnis priešslėgis) kaip ankstyvas Δv ekvivalentas: ~10–20 m/s (pavyzdžiuose naudojame 20 m/s).

1) Trys scenarijai

Kodėl ne tiesiog stadiono dydžio plieninė spyruoklė? Nes plieno elastingos energijos tankis mažas. Geriausios praktiškos „spyruoklės“ yra moduliai: elektromagnetinės sekcijos, hidraulika, smagračiai/SMES ir didelės deformacijos kompozitiniai trosai—kraunami lėtai, iškraunami greitai, jėga formuojama valdymu.

2) Δv balansas (ką gauname „nemokamai“?)

• Maglev kėlimas: ~+80 m/s anksti.
• Didžioji spyruoklė: ~+150 m/s anksti (pasaulinio lygio inžinerija ir sulaikymas).
• Pusiaujo priedas vs. Starbase (~26°N): +47 m/s (sukimasis).
• Aukštikalnės: ~+10–20 m/s Δv ekvivalentas dėl retesnio oro/priešslėgio kritimo pačiais „purviniausiais“ sekundėmis.
• GEO iš pusiaujo: sutaupoma ~305 m/s apogėjuje vengiant 26° plokštumos kaitos.

3) Kiek naudingosios apkrovos tai „nuperka“? (LEO/ŽŽO)

Naudojant aukščiau aprašytą nuoseklų dviejų pakopų modelį gauname štai ką. Skaičiai yra orientaciniai; svarbus dėsningumas.

Skaitykite taip: ta pati raketa, su nedideliu ankstyvu stumtelėjimu ir geresne aikštele, „pasikrauna“ dviženklį tonų skaičių į LEO. Tai — priešingybė „mažmožiui“.

4) Projektavimo „sveiko proto“ patikros (eiga, jėga, energija)

• Eiga (v²/2a):
  • 80 m/s prie +1 g → ~320 m.
  • 150 m/s prie +2 g → ~563 m; prie +3 g → ~375 m.
• Vidutinė jėga (M·Δv / t):
  • 80 m/s per 4 s → ~100 MN.
  • 150 m/s per 4 s → ~188 MN.
• Energija (½ M v²):
  • 80 m/s → 16 GJ (~4,4 MWh).
  • 150 m/s → 56 GJ (~15,6 MWh).

  Tinklo energija — nesudėtinga; sunku yra galia kelioms sekundėms. Todėl egzistuoja „spyruoklių paketas“: krauname lėtai, atiduodame greitai, formuojame jėgą.

5) GEO — ten, kur pusiaujas stulbina

Iš ~26°N (Starbase) skrydžiui į GEO privalu „nuimti“ ~26° nuokrypį. Jei plokštumos kaitą darote protingai apogėjuje ir sujungiate su apskritiminimu, papildoma kaina yra ~305 m/s palyginti su startu nuo pusiaujo.

Ką reiškia 305 m/s propelento prasme? Antrajai pakopai su Isp ≈ 375 s:

• Kas 200 t po manevro (sausas + krovinys) apogėjaus manevrui prie pusiaujo reikia ~99 t propelento, o tas pats iš Starbase — ~125 t. Tai yra ~26 t sutaupymas—apogėjuje, kiekvienai misijai.
• Skaluojant tiesiškai: 400 t → ~52 t sutaupoma; 800 t → ~103 t sutaupoma.

Sujunkite tai su 150 m/s spyruokliniu stumtelėjimu pakilimo pradžioje ir aukštikalnių aikštele — ir per visą misiją sudedate šimtus m/s „biudžeto palengvinimo“. Pildymo architektūroje tai reiškia mažiau tankerių skrydžių arba didesnį krovinį į GEO.

6) Medžiagų realybės patikra (kodėl „didžioji“ dar nėra magija)

• Šiandien praktiški „spyruoklių paketai“ (plienas/titanas + kompozitai + EM varikliai): tikėtinas efektyvus elastingos energijos tankis ~1–10+ kJ/kg. To pakanka pagalbai, bet ne „metimui į orbitą“.
• Laboratoriniai „svajonių“ variantai (BMG, didelės deformacijos CFRP, kada nors CNT/grafenas masėje) gali pasiekti ~10–30+ kJ/kg praktiškai. Tai leidžia ~150 m/s klasės asistą megastruktūros mastu. Vis tiek, darbą atlieka varikliai.

7) Saugumas, valdymas ir „neperlūžkite raketos“

• Daug mažų modulių > viena milžiniška spyruoklė: perteklinis patikimumas ir tvarkingi abortai.
• Trūkčiojimu (jerk) ribojamos S kreivės: lygus jėgos kilimas/laikymas/mažėjimas; varikliai kartu trotlina, kad bendras g išliktų normose.
• Sulaikymas/slopintuvai: visa nepanaudota energija baigiasi stabdžiuose, o ne „atšokimo boostback“.

8) Esmė

• Maglev kėlimas (~80 m/s): jau vertas ~+5 % LEO naudingosios apkrovos Starbase, o prie pusiaujo — dar daugiau.
• Didžioji spyruoklė (~150 m/s): su pasaulinio lygio inžinerija atsiduriate ~+9–13 % LEO naudingosios apkrovos diapazone priklausomai nuo vietos.
• Ekvatorinės Afrikos aukštikalnės + spyruoklė: maždaug +20 t į LEO tai pačiai raketai ir ~25–100+ t propelento sutaupymas GEO apogėjuje (priklauso nuo misijos). Tai ir yra „kiekvienas bitas svarbus“ — akivaizdžiai.
• Varikliai vis tiek atlieka darbą: spyruoklė nepakeičia traukos; ji ištrina bjauriausias pirmąsias sekundes ir už tai „sumoka“ kroviniu.

Nulinė pakopa gali būti baterija. Įkraukite ją lėtai. Išleiskite mandagiai. Su geresne aikštele ir geresne platuma jūs nekeičiate fizikos — leidžiate fizikai pakeisti jūsų naudingąjį krovinį.