Chýlí se éra tradičních raket s chemickým pohonem ke konci? Jak se zdá, i v Číně hledají alternativy pro přepravu lidí i nákladu na oběžnou dráhu. Podle nedávno zveřejněných informací pracují na elektromagnetickém railgunu, který by měl odpalovat na oběžnou dráhu pilotované kosmoplány o velikosti Boeingu 737 a váze 50 tun. Je to velmi ambiciózní projekt.
Ať už tomu budeme říkat railgun, katapult nebo třeba mass driver, elektromagnetický urychlovač pro vypouštění velkých transportních prostředků představuje atraktivní technologii. Na rozdíl od nosných raket plných paliva, jak je dnes známe, zůstává většina systému railgunu na zemském povrchu a samotné kosmoplány či kosmické lodě mohou být velmi lehké. Pokud to Čína dotáhne do konce, půjde o jeden z největších technologických úspěchů lidstva v historii.
Podle čínských oficiálních médií plánují postavit elektromagnetický railgun, který urychlí kosmoplán na nadzvukovou rychlost Mach 1,6 a možná až Mach 5. Když se kosmoplán dostane do výšky, zažehne vlastní motory a doletí na oběžnou dráhu. Technologicky to není jednoduché, zvlášť pokud má lidská posádka takový odpal přežít. Ale v zásadě je to zvládnutelné.
Elektromagnetický railgun pro orbitální lety vyvíjí institut Flight Vehicle Technology Research Institute, který je součástí korporace China Aerospace Science and Industry Corporation (CASIC). Údajně již postavili 2kilometrovou testovací dráhu v Ta-tchungu, provincie Šan-si na severozápadě Číny. Měla by být umístěna ve vakuovaném tubusu a v tuto chvíli dokáže urychlit objekty na 1000 km/h.
Číňané budou muset překonat řadu překážek. Například, pokud má railgun urychlit kosmoplán s lidskou posádkou na Mach 1,6 a posádka má zůstat na živu, musí to být na dráze o délce nejméně 8 kilometrů. To znamená ohromnou spoustu supravodivých elektromagnetů a největší vakuovaný prostor na světě s ohromující baterií pump pro udržení vakua. Pokud by došlo k drastické nehodě, uvolní se energie odpovídající taktické jaderné zbrani.
Další věc je potřebná energie. Railguny na palubě americké letadlové lodi, které odpalují letouny rychlostí 241 km/h, k tomu využívají 121 MJ. Urychlit stejným způsobem podobný objekt na Mach 5 si vyžádá 50 GJ. Plánovaný čínský kosmoplán je při tom ještě asi 10krát těžší. Systém, který by tohle měl zvládnout, bude potřebovat jadernou elektrárnu generující gigajoule za sekundu a úplně nový typ superkapacitorů, asi tak tisíckrát výkonnější než dnešní nejlepší experimentální superkapacitory.
Když se to všechno posčítá, bude to chtít ohromné úsilí a zdroje, aby se to Číně povedlo. Pokud to ale zvládnou, čeká je sladká odměna v podobě vynášení nákladu na orbitu v ceně asi 60 dolarů za kilogram. Byl to naprostý průlom. Například vychvalovaní SpaceX to zvládají zhruba za 3 tisíce dolarů na kilogram. Nechme se překvapit!
Video: The Scientific Principle Of The Railgun
Literatura
Mohli by těžaři na Měsíci vystřelovat rudu do vesmíru railgunem?
Autor: Stanislav Mihulka (14.04.2017)
Hypersonické dělo Green Launch dostřelí na oběžnou dráhu
Autor: Stanislav Mihulka (16.04.2022)
Kosmický prak SpinLaunch úspěšně testuje průlomovou technologii
Autor: Stanislav Mihulka (11.10.2022)
Startup Longshot míří na oběžnou dráhu s 10kilometrovým betonovým dělem
Autor: Stanislav Mihulka (04.08.2023)
Diskuze:
Možná je to trochu jinak
Pavel Kaňkovský,2024-03-23 10:39:42
Když se podívám na původní text z South China Morning Post, tak hned v titulku vidím "hypersonic plane" a celé to má mít vztah k "Tengyun project", o kterém se první zprávy objevily v roce 2016 a ve kterém mělo první stupeň tvořit právě hypersonické letadlo. To letadlo mělo mít původně složitý kombinovaný pohon schopný fungovat při různých rychlostech ("turbo rocket combined cycle" tedy kombinace proudového motoru, ramjetu, scramjetu a ještě rakety), ale pokud by ho na začátku dostatečně urychlili třeba tím railgunem, tak by asi mohli pohon (možná i jiné konstrukční prvky) výrazně zjednodušit.
Re: Možná je to trochu jinak
Petr Mikulášek,2024-03-23 14:00:41
Jo, touha ohromit je z toho zřejmá, ale věci,co namůžou fungovat jsou pro ně samozřejmost (přechod z vakuové roury do atmosféry apod.), ale pak se člověk dočte, že "Systém, který by tohle měl zvládnout, bude potřebovat jadernou elektrárnu generující gigajoule za sekundu..." jako nedostižnou metu - přitom stačí elementární znalost toho, že [J]=[Ws] a rovnou člověk vidí, že ten jaderný blok by měl 1 GW - v Temelíně máme dva takový, krom VVER1000 existuje i AP1000, APR1000,... a jsou bloky větší, třeba EPR s čtyřma smyčkama dává 1.6GW.
Re: Re: Možná je to trochu jinak
D@1imi1 Hrušk@,2024-03-23 16:31:56
Systém pro přechod z vakuové roury do atmosféry odzkoušel startup SpinLaunch. Stříleli takhle projektil rychlostí kolem jednoho machu. Princip je jednoduchý: několik desítek metrů před ústím roury jsou vysokorychlostní vrátka (otevřená), druhá vrátka zakončují ústí roury. Když projektil proletí prvními vrátky, ta se rychle zavřou a druhá vrátka se rychle otevřou.
Re: Re: Re: Možná je to trochu jinak
Martin Šíra,2024-03-24 15:07:19
Na videech Spinlaunch jde jasně vidět, že projektil při opouštění vakuového prostoru proráží membránu. Máte nějaký odkaz na vámi zmíněný systém rychle se otevírajících vrátek?
Video Spinlaunch s prorážením mebrány:
https://youtu.be/Z6esOcWrrEE?si=G5qUY3PRwXjUXlCu
Re: Re: Re: Re: Možná je to trochu jinak
D@1imi1 Hrušk@,2024-03-24 18:03:38
Máte pravdu, na ústí zatím využívají místo dvířek křehkou membránu, ale myslel jsem, že vnitřní dvířka už používají nyní, což se mi nepovedlo potvrdit ani vyvrátit. Takže se omlouvám, systém s vrátky má být možná použit až v další fázi vývoje. On je obecně problém o tom najít detailní informace. V koncepci s tím ale počítají, jinak by ani nedávalo smysl, proč by ten vypouštěcí tunel byl tak dlouhý. Smyslem je, aby se vnitřní vrátka stihla zavřít dřív, než k nim rychlostí zvuku dorazí vdzuch. Jinak by museli nákladně a zdlouhavě evakuovat celou tu hlavní komoru.
https://www.youtube.com/watch?v=B6aetd-ZsL4&t=500s
(od času 8:20)
Každopádně i ta verze s membránou je důkazem, že přechod z vakua do atmosféry není žádný neřešitelný technický problém, o což mi v příspěvku šlo především.
Re: Re: Možná je to trochu jinak
Pavel Kaňkovský,2024-03-23 20:00:04
To o jaderné elektrárně "generující gigajoule za sekundu" a "novém typu superkapacitorů" se do zprávy připletlo nějak po cestě, v původním textu od SCMP to není. Nikdo nebude railgun napájet přímo z elektrárny, ale právě přes nějaké ty "superkapacitory" (v praxi se obvykle používají setrvačníky, zejména tzv. kompulzátory) a jestli jejich nabití bude trvat minutu nebo hodinu, na tom asi u railgunu určeného k vystřelování věcí do vesmíru nebude tolik záležet (tedy pokud to čínští soudruzi nebudou chtít používat na suborbitální bombardování nepřátelských imperialistů...).
Re: Možná je to trochu jinak
F M,2024-03-25 13:05:44
Doplním ten odkaz na původnější článek:
https://web.archive.org/web/20240314142455/https://www.scmp.com/news/china/science/article/3255351/nasas-dream-comes-true-china-plans-build-giant-rail-gun-launch-hypersonic-planes-space
Mělo by jít o urychlení hypersonického letadla na 1,6 Machu, potom jej ten hypersonický motor vynese do blízkého vesmíru s rychlostí 7M.
Ještě je tam nástin problémů s rázovými vlnami mezi letounem a kolejnicí, mělo by to být rozumně řešitelné.
Hm, má li to lidská posádka přežít...
Martin Novák2,2024-03-23 06:50:53
Já bych to s ohledy k lidské posádce nepřeháněl. Než to dokončí bude lidská posádka naprosto zbytečnou komplikací. A v případě že by chtěli do vesmíru poslat lidi na dovolenou můžou použít nižší zrychlení a víc paliva...
Drtivá většina nákladů na pobyt ve vesmíru jde na to aby to lidi přežili.
Re: Hm, má li to lidská posádka přežít...
D@1imi1 Hrušk@,2024-03-23 10:23:15
Informaci o lidské posádce beru s velkou rezervou. Čína prostě pustila do médií zprávu, která v realitě může znamenat leccso:
a) je to celé jen mediální hra
b) chtějí získat schopnost levné dopravy satelitů na orbitu a vytvořit konkurenci StarLinku. Zvlášť, když se ukázalo, jak je nerušitelný internet klíčový ve vojenství.
c) chtějí si osahat technologii, kterou by hyptoeticky mohli používat k odpalování modulů z Měsíce k Zemi.
d) chtějí hlavně proinvestovat prostředky na podporu ekonomiky (když mohli stavět města duchů, proč ne railgun pro kosmonauty, kteří nakonec nepoletí?)
e) Číňané podali věrohodnou zprávu o svých záměrech
Proč ne normální dělo?
D@1imi1 Hrušk@,2024-03-22 23:23:21
Dejme tomu, že to není kachna: Pokud stejně budou muset stavět tubus a raketu to bude urychlovat to na pouhých 2000 km/h, proč to nepojmout jako normální dělo? Odpadl by problém s akumulací a rychlým uvolněním toho obrovského množství elektřiny.
Re: Proč ne normální dělo?
Martin Šíra,2024-03-24 15:16:07
Lepší průběh zrychlení. U děla je to na krátké vzdálenosti, a tedy obsah projektilu musí vydržet mnohem větší zrychlení než v případě hypotetického čínského railgunu.
Re: Re: Proč ne normální dělo?
D@1imi1 Hrušk@,2024-03-24 17:36:28
Průběh zrychlení asi ne, ten lze řešit vhodným designem. Mohl jsem si odpoustit slovo "normální" (dělo), ale zároveň je Vám snad z kontextu jasné, že pokud by mělo střílet mnohatunové raketové stupně, těžko by se mohlo podobat vojenským dělům.
V první řadě je otázka jestli by hnací sílu zajištovala exploze, nebo třeba jen stlačený (a předehřátý) plyn, případně raketový motor, který by ale měl díky provozu v uzavřeném tubusu mnohem větší účinnost než motor běžící v atmosféře.
Pokud by byla hnací síla zajištěna explozí (nebo stlačeným plynem), nemohla by samozřejmě být jen jedna obrovská výbuchová komora na začátku hlavně, ale mnoho menších, které by každých pár desítek až stovek metrů ústily bočním tunelem do hlavně. Takže síla urychlující projektil, by se po celé délce příliš neměnila.
Taky by nevyužívalo bezdýmný střelný prach, jako vojenské dělo, ale např. směs zemního plynu a vzduchu, abyste se nechytal na detailech ;-)
Re: Re: Re: Proč ne normální dělo?
D@1imi1 Hrušk@,2024-03-24 18:14:04
Ještě k mojí pointě: Proč se děla k urychlení raketových stupnů nevyužívala doposud, samozřejmě vím. Jde o to, že urychlení na 1 až 3 machy poskytne raketě jen malou část potřebné rychlosti, ale za cenu obrovských nákladů na vybudování toho děla a bohužel také zvýšení hmotnosti rakety (větší přetížení = raketa musí být robustnější = těžší).
Z článku ale nepřímo vyplývá, že by Číňani byli rádi i za relativně malou rychlost 2000km/h a nebojí se nákladů na několik km dlouhý railgun. Proto ta otázka, proč nevyužít normální dělo místo elektromagnetického.
Něco mi uniká?
František Kroupa,2024-03-22 22:07:22
Až dosud jsem se domníval, že na amerických letadlových lodích mají parní katapulty, nebo to jsou nyní také railguny?
Re: Něco mi uniká?
Petr Mikulášek,2024-03-22 22:20:15
Parní katapulty jsou na starty letadel. Myslím, že railguny zkoušeli místo kanónů s vidinou úspory munice a nějak se to neosvědčilo...
Re: Re: Něco mi uniká?
D@1imi1 Hrušk@,2024-03-22 22:46:21
S elektrickými katapulty už se nějakou dobu experimentuje, ale nejde o railgun, nýbrž o lineární motor využívající k urychlení řadu cívek. Railgun nevyužívá cívky, funguje na principu Lorentzovy síly
https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_Aircraft_Launch_System
vs.
https://cs.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetick%C3%A9_d%C4%9Blo
Re: Re: Re: Něco mi uniká?
Martin Šíra,2024-03-24 15:14:57
Lorentzova síla funguje v obou případech.
Problém s novými katapulty je ve spolehlivosti.
Osle osle, kam jsi rozum dal?
Petr Mikulášek,2024-03-22 19:32:33
Jenom se tady papouškují blbosti. A aby to člověk poznal, tak stačí fyzika ze základky.
1.6M je u Země cca 2000 km/h (resp. necelých 550 m/s). 1. kosmická rychlost (usazení na Orbitě) je 7900 m/s. Takže tenhle krám to podle plánu dostane na ... tadá ... 6.9% potřebné rychlosti. Zbytek dodá klasický palivo. Který to pak musí ještě brzdit před vstupem do atmosféry, takže tam musí být i nějaký navíc.
Když vyjdu z předpokladů:
- Pohon LOX/LH
- Spalné teplo vodíku 141,9 kJ/kg, účinnost 100%
- Oběžná dráha 200km nad rampou nebo laufem railgunu
- Oběžná rychlost: 1. kosmická (7.9 km/s)
- Hmotnost projektilu 50 t
- Urychlení railgunem na 550m/s
- Odpor atmosféry budeme velkoryse ignorovat
tak dostávám, že na vynesení 1 kg nákladu je potřeba bez railgunu 2106 kg a s railgunem 1840 kg pohonné směsi. Když vypočítám 50 t / ( 1 kg + mLOX + mLH ), tak bude normálně suchá váha lodi včetně nákladu 23.73kg a s railgunem uvedených parametrů 27.159kg.
No, vzhledem k tomu, že to těch 27kg se musí vejít nádrže, motor, navigační systém, podpora života, palivo na návrat, tepelný štít, padáky, akumulátory, žrádlo pro kosmonauta a další blbosti, tak ten ujgurský kosmonaut bude muset dlouho pobýt v koncentráku, aby mohl v tom 50t bazmeku letět.
Re: Osle osle, kam jsi rozum dal?
Florian Stanislav,2024-03-22 21:23:02
S fyzikou ZŠ asi nevystačíte, spalné teplo vodíku je 141,9 MJ/kg ne 141,9 kJ/kg.
Vodík používal 2. stupeň Saturn 5, jinak kerosin +kyslík , Muskovy rakety mají metan+ kyslík.
Rakety jsou vícestupňové, hmotnost klesá spotřebou paliva, výpočet rychlosti (jednoho stupně rakety ) je Ciolkovského rovnice.
Kruhová rychlost ve výšce 200 km je 7,8 km/s ne 7,9 km/s
https://www.lib.cas.cz/space.40/LAUNCHER/USA/SATURN5.HTM
Saturn 5, první stupeň představoval 80% hmotnosti rakety, náhrada 1.stupně railgunem by byla velmi dobrý počin, technicky je zatím obtížné
Re: Re: Osle osle, kam jsi rozum dal?
Petr Mikulášek,2024-03-22 21:56:35
Jo, už to vidím, chyba v jednotkách. Za to se omlouvám.
Počítal jsem to pro zjednodušení jako součet potenciálové a kinetické energie, kterou je potřeba udělit 1kg, aby se zvedl o 200km a patřičně zrychlil z 0 nebo 1.6M. Na nějaký integrál v čase jsem fakt už neměl vitamíny. A to jsem podělil maximem energie, co se dá vytáhnout z vodíku.
Každopádně se s tím opraveným teplem dostanu na 16097 kg / 17065 kg, takže pořád cca 8.5% rozdíl. To se nezdá jako změna z $3000 na $60. Spíš bych řekl, že těch "pár" tun paliva + kyslíku a řádově o desetinu větší nádrž v raketě bude furt podstatně levnější.
Při 85% rozdílu, to už by bylo jiný kafe, ale to by jim shořelo v atmosféře...
Re: Re: Re: Osle osle, kam jsi rozum dal?
Florian Stanislav,2024-03-23 15:43:43
Těleso hmotnosti 1 kg na oběžné dráze ve výšce 200 km a rychlosti 7,8 km/s má potenciální energii 2 MJ a kinetickou 30,2 MJ. celkem 32,4 MJ. To odpovídá spalnému teplu 0,228 kg vodíku a s 1,828 kg kyslíku. Tedy řekněme 2 kg paliva na 1 kg tělesa na oběžné dráze.
Jinak z toho neplyne celkem nic. Rakety jsou vícestupňové, účinnost není 100%, nespaluje se vodík, kyslík se raketa veze sebou, zanedbat odpor vzduchu nelze. A hlavně na oběžnou dráhu se dostane asi 1/20 startovací hmotnosti..
Falcon Haevy.
https://www.idnes.cz/technet/vesmir/start-falcon-heavy.A180205_104057_tec_vesmir_mla
"63 800 kg na nízkou oběžnou dráhu. Hmotnost (s palivem): 1 420 788 kg"
Jinak řečeno : na 1kg na nízké oběžné dráze je třeba 22,27 kg při startu.
takže Vaše 16 nebo 17 tun na startu na 1 kg na oběžné dráze je mimo.
Re: Re: Osle osle, kam jsi rozum dal?
Petr Mikulášek,2024-03-22 22:09:35
Ještě korekce té rychlosti - bez railgunu 16360 kg, s railgunem 17897 kg, takže by to proti startu z klasické rampy zvedlo nosnost o cca 9,5%. Pokud by to bylo ve vakuu. S railgunem předpokládám vyšší rychlost v hustší atmosféře a dost bych se divil, kdyby to nebylo šul nul.
Re: Re: Re: Osle osle, kam jsi rozum dal?
Florian Stanislav,2024-03-23 16:02:37
Raketa Sojuz.
https://cs.wikipedia.org/wiki/Sojuz_(nosn%C3%A1_raketa)
Hmotnost 308 - 313 t
Nosnost na LEO 6,9 t (Sojuz-FG)
Čili na 1 kg na oběžné dráze je třeba 45 kg při startu.
Ve vakuu to asi nepůjde
Jan Dolinár,2024-03-22 18:53:06
Zajímalo by mě, jak chtějí v konečné verzi řešit přechod z vakuové trubice zpět do atmosféry. Nejspíš bude potřeba urychlovat celou cestu za atmosférického tlaku, jenže při těchto rychlostech už se to bude možná nepěkně zahřívat a vůbec to bude přinášet spoustu nových inženýrských výzev.
Re: Ve vakuu to asi nepůjde
David Pešek,2024-03-23 11:17:34
nejlepší kdyby vakuový tunel ústil vysoko, v místech kde už vakuum téměř je, to je teprve výzva taková stavba 30 km vysoká a klidně i 100 km dlouhá, a na takových 100 km akcelerace už by se nechala nabrat slušná rychlost ani by to nakonec nemusel být uzavřený tunel
Re: Re: Ve vakuu to asi nepůjde
Pavel Kaňkovský,2024-03-24 00:11:56
Pokud postavíte rouru do nebe, kterou necháte otevřenou ve výšce, kde je ještě nějaká nezanedbatelná atmosféra, což v 30 km pořád ještě je (atm. tlak je tam asi 1 kPa), tak bude vzduch tou dírou proudit dovnitř tak dlouho, až bude v každé výšce vyrovnán tlak s okolím (až na nějaké lokální meteorologické nepravidelnosti). A pak už je asi praktičtější to nechat úplně otevřené.
Re: Re: Re: Ve vakuu to asi nepůjde
Florian Stanislav,2024-03-24 14:23:05
Ve výšce 30 km je tlak 1,1 kPa. Postavit troubu vysokou 30 km je konstrukčně nemožné, nehledě na to, že projektil letící napřed vodorovně se sám nezatočí, ale zatáčku rozbourá.
Dole odčerpaná trubice vysoká 30 km se naplní při otevření shora rovnoměrně na tlak, který u ústí působí všemi směry rovnoměrně, tedy celá až na dno na 1,1 kPa. Takže se tlak nevyrovná s okolím trubce, jak píšete.
I teoretické úvahy by měly být o něčem, co dává smysl.
Re: Re: Re: Re: Ve vakuu to asi nepůjde
Martin Šíra,2024-03-24 15:28:23
Ale ne. Vzduch v trubici (nahoře otevřené) bude tlačit na vzduch v trubici níže, takže tam bude obdobný tlakový profil jako v okolní atmosféře.
Navíc, plány s railguny jsou obvykle ne s vertikální trubicí, ale skloněnou pod nějakým úhlem, cca 45° nebo tak nějak. Klasické plány byly postavit to na svahu velké hory.
Re: Re: Re: Re: Re: Ve vakuu to asi nepůjde
Florian Stanislav,2024-03-24 19:12:22
Článek:
Například, pokud má railgun urychlit kosmoplán s lidskou posádkou na Mach 1,6 a posádka má zůstat na živu, musí to být na dráze o délce nejméně 8 kilometrů.
Komentář : 8 km dlouhou 45° skloněnou dráhu asi těžko najdete u nějaké hory. Kolejnice katapultu opřené o postupně se zdvihací terén až horu se snad postavit dají.
S tím tlakem uvnitř odčerpaného válce asi máte pravdu, postupně ze shora vzduch nateče a vytvoří se gravitací tlak jako sloupec vzduchu venku. Asi jako, když úzký válec trochu ponoříte nahoře a voda časem nateče až nahoru a vytvoří hydrostatický tlak.
Jde spíš o to, že tlak 1 kPa nahoře ve 30 km je malý ( 1% pozemského tlaku), naplnění odčerpaného válce po krátkém otevření nahoře je slabé, nehledě na to, že projektil už je dávno pryč.
Re: Re: Re: Re: Ve vakuu to asi nepůjde
Martin Novák2,2024-03-24 16:32:44
Projektil jedoucí po kolejích (RAILgun) samozřejmě zatočí pokud není zatáčka příliš prudká. Tlak se s okolím nevyrovná, ale protože gravitace a vzduchový sloupec budou stejné jako v okolí tak i tlak bude +- stejný jako v okolí (s výjimkou kolísání způsobeného počasím).
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
