TL;DR: Starship klassi komplektile (~5 000 t stardil) „tõsteabi“, mis lisab varakult vaid 80–150 m/s, võib anda +5–13 % kasulikku koormust LEO-sse (Maa madal orbiit) sõltuvalt asukohast. Kui viia sama aparaat peaaegu ekvaatoriaalsetele Aafrika kõrgustikele ja ühendada parima vedru lahendusega, lisate LEO-sse ~20 t ning GEO missioonidel säästate kümneid tonne kütust, kuna väldite tasandi muutust. Iga detail on oluline—ja väga.

0) Eeldused (et arvutust oleks võimalik korrata)

• Sõiduki mass stardimomendil: 5 000 000 kg (Starship + Super Heavy klass).
• Astmete jõudluse mudel (ligikaudne, kuid järjepidev):
  • Esimene aste (tõukejõud): Isp ≈ 330 s, kütus ≈ 3 300 t, „kuiv“ ≈ 200 t.
  • Teine aste (laev): Isp ≈ 375 s, kütus ≈ 1 200 t, „kuiv“ ≈ 150 t.
• Δv eelarve platvormilt LEO-sse (kaasa arvatud gravitatsiooni/õhutakistuse kaod): ~9,4 km/s.
• Maa pöörlemine: kiiruse lisand ekvaatori juures vs. Starbase (~26° P laiuskraad) ≈ +47 m/s.
• Ekvaatori GEO ringluse tasandi muutuse eelis (apogees, ühendatud manööver): ≈ 305 m/s sääst võrreldes 26° P laiuskraadiga.
• Kõrgmäestiku kõrguse eelis (õhuke õhk, väiksem vasturõhk) kui varajane Δv ekvivalent: ~10–20 m/s (näidetes kasutame 20 m/s).

1) Kolm stsenaariumi

Miks mitte lihtsalt staadioni suurune terasvedru? Sest terase elastse energia tihedus on madal. Parimad praktilised "vedrud" on moodulid: elektromagnetilised sektsioonid, hüdraulika, hoorattad/SMES ja suure deformatsiooniga komposiitkaablid—laaditakse aeglaselt, tühjendatakse kiiresti, jõud kujundatakse juhtimisega.

2) Δv bilanss (mida saame "tasuta"?)

• Maglev tõstmine: ~+80 m/s varakult.
• Suur vedru: ~+150 m/s varakult (maailmaklassi inseneritöö ja pidurdamine).
• Ekvaatori lisa vs. Starbase (~26°N): +47 m/s (pöörlemine).
• Kõrge kõrgus: ~+10–20 m/s Δv ekvivalent harvema õhu/negatiivse rõhu languse tõttu kõige "räpasematel" sekunditel.
• GEO ekvaatorilt: säästetakse ~305 m/s apogees, vältides 26° tasandi muutust.

3) Kui palju kasulikku koormust see "ostab"? (LEO/SSO)

Kasutades eespool kirjeldatud järjestikust kaheastmelist mudelit, saame järgmise. Numbrid on ligikaudsed; oluline on mustri järjepidevus.

Lugege nii: sama rakett, väikese varajase tõukega ja parema platvormiga, „laeb“ kahekohalise tonnide arvu LEO-sse. See on vastand „väikesele sammule“.

4) Projekteerimise „terve mõistuse“ kontroll (teekond, jõud, energia)

• Teekond (v²/2a):
  • 80 m/s juures +1 g → ~320 m.
  • 150 m/s juures +2 g → ~563 m; juures +3 g → ~375 m.
• Keskmine jõud (M·Δv / t):
  • 80 m/s 4 s jooksul → ~100 MN.
  • 150 m/s 4 s jooksul → ~188 MN.
• Energia (½ M v²):
  • 80 m/s → 16 GJ (~4,4 MWh).
  • 150 m/s → 56 GJ (~15,6 MWh).

  Võrgu energia — lihtne; raske on jõud mõneks sekundiks. Seetõttu eksisteerib „vedrupakett“: laadime aeglaselt, anname kiiresti, moodustame jõu.

5) GEO — seal, kus ekvaator hämmastab

Umbes 26°N (Starbase) lennuks GEO-sse tuleb "eemaldada" ~26° kaldenurk. Kui tasapinna muutust tehakse targalt apogees ja ühendatakse ringlusega, on lisakulu ~305 m/s võrreldes stardiga ekvaatorilt.

Mida tähendab 305 m/s kütuse mõttes? Teisele astmele Isp ≈ 375 s:

• Iga 200 t manöövri järel (kuiv + koormus) apogee manöövriks ekvaatori lähedal on vaja ~99 t kütust, ja Starbase'ist sama ~125 t. See on ~26 t kokkuhoidu—apogees, iga missiooni kohta.
• Lineaarse skaleerimise korral: 400 t → ~52 t kokkuhoidu; 800 t → ~103 t kokkuhoidu.

Ühendage see 150 m/s vedrustatud tõukega stardi alguses ja kõrgustiku platvormiga — ja kogu missiooni jooksul koguneb sadu m/s "eelarve leevendust". Täitmisarhitektuuris tähendab see vähem tankerilende või suuremat koormust GEO-sse.

6) Materjalide reaalsuse kontroll (miks "suur" pole veel maagia)

• Tänapäevased praktilised "vedrupaketid" (teras/titaan + komposiidid + EM mootorid): tõenäoline efektiivne elastse energia tihedus ~1–10+ kJ/kg. See on piisav abiks, kuid mitte "orbiidile viskamiseks".
• Laboratoorsed "unistuste" variandid (BMG, suured deformatsioonid CFRP, kunagi CNT/grafeen massiliselt) võivad praktiliselt saavutada ~10–30+ kJ/kg. See võimaldab ~150 m/s klassi abi megastruktuuri mastaabis. Kuid töö teeb ikkagi mootor.

7) Ohutus, juhtimine ja "ära murra raketti"

• Palju väikseid mooduleid > üks hiiglaslik vedru: ülearune usaldusväärsus ja korralikud katkestused.
• S-kõverate piiramine tõmbe kiirendusega (jerk): jõu sujuv tõus/hoidmine/langus; mootorid koos gaasivad, et kogug jõud (g) jääks normi.
• Pidurid/dämpersüsteemid: kogu kasutamata energia lõpeb pidurites, mitte "tagasilöögitugevduses".

8) Põhipunkt

• Maglev tõstmine (~80 m/s): juba väärt ~+5 % LEO kasulikust koormusest Starbase'is, ja ekvaatori lähedal veelgi rohkem.
• Suur vedru (~150 m/s): maailmatasemel insenertehnika abil jõuate ~+9–13 % LEO kasuliku koormuse vahemikku sõltuvalt asukohast.
• Ekvaatoriaal-Aafrika kõrgustikud + vedru: umbes +20 t LEO-s samale raketile ja ~25–100+ t kütuse kokkuhoid GEO apogees (sõltuvalt missioonist). See ongi "iga väike osa loeb" — selgelt.
• Mootorid teevad ikkagi tööd: vedru ei asenda tõmmet; see kustutab kõige inetumad esimesed sekundid ja "tasub" selle eest koormusega.

Nulltase võib olla aku. Laadige seda aeglaselt. Tühjendage viisakalt. Parema platvormi ja laiusega te ei muuda füüsikat — lasete füüsikal muuta oma kasulikku koormust.