Spaceplanes: From Airport to Spaceport

242 Pages·2009·5.08 MB·English

by  Matthew A. Bentley (auth.)

Spaceplanes
Matthew A. Bentley
Spaceplanes
From Airport to Spaceport
Matthew A. Bentley
Rock River
WY, USA
ISBN: 978-0-387-76509-9 e-ISBN: 978-0-387-76510-5
DOI: 10.1007/978-0-387-76510-5
Library of Congress Control Number: 2008939140
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Printed on acid-free paper
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This book is dedicated to the interna-
tional crews of the world’s first two
operational spaceplanes, Columbia and
Challenger, who bravely gave their lives in
the quest for new knowledge.
Challenger
Francis R. Scobee
Michael J. Smith
Ellison S. Onizuka
Ronald E. McNair
Judith A. Resnik
S. Christa McAuliffe
Gregory B. Jarvis
Columbia
Richard D. Husband
William C. McCool
Michael P. Anderson
Ilan Ramon
Kalpana Chawla
David M. Brown
Laurel Clark
Contents
Preface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
1 Rocketplanes at the Airport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
The Wright Flyer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Rocket Men. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Silbervogel: The Silverbird. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
German Rocket Gliders. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
American Rocketplanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
The Bell X-1 (1946–1958) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
The Douglas Skyrocket (1948–1956). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
The Bell X-2 Starbuster (1952–1956). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
NASA Lifting Bodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Today’s Rocketplanes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
XCOR Aerospace EZ-Rocket. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
XCOR X-Racer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 Why Spaceplanes?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Space Tourism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Superior Vehicle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Basic Comparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Energy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Reusability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Refuelability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Simplicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Operational Superiority. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Versatility and Infrastructure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Ballistic Refuse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
vii
viii Contents
3 Rocket Science: Wings Added . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
The Airplane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
The Rocket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
The Rocket Equation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Staging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
The Challenge of the Spaceplane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
A Hybrid Is Born . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4 Missiles and Modules. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Historical Rockets. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Types of Rockets. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Modular Spacecraft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Rockets vs. Spaceplanes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Spaceplanes to the Moon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Spaceplanes to Mars? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5 Crawling into Suborbit: The Baby Spaceplane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
The Mercury Redstone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
The North American X-15 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Costs vs. Benefits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Launch Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
The Tourism Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6 Going Ballistic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Ballistic Background. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Dyna-Soar (1957–1963) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Hermes (1987–1993) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
HOPE (1992–2003) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Kliper (2004–present). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Why No Go?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
7 Piggyback to Orbit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
The Space Shuttle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Challenger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Columbia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Lessons Learned . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Buran. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Contents ix
Ascender. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Spacecab and Spacebus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8 Advanced Propulsion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
The Aerospike Engine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Ramjets and Scramjets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Orient Express: The X-30. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
The X-43 Hyper-X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Air-Augmented Rockets. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Aerial Propellant Tanking. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Liquid Air Cycle Engines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Turborockets. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Future Design Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Spaceplanes by the Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Efficient Nozzles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
An Elementary Exercise in Advanced Propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Air-Breathing Centrifugal Rocket Engine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Impeller-Diverter Rotating Rocket. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
9 Single Stage to Orbit: The Advanced Spaceplane . . . . . . . . . . . . . . . 125
From DC-3 to DC-X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
The Spacefaring Public . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Anatomy of a Spaceplane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Spaceline Timeline. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Have Spaceplane Will Travel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Flank Speed to the Future . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
Tricks of the Trade. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Getting There. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
10 Destination Moon: The Lunar Spaceplane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Lunar Vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Why Go to the Moon?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Lunar Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
Project Apollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Project Constellation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Good Spaceships. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Lunar Infrastructure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
The Lunar Resort. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Destination Mars. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
x Contents
11 Strategies for Success. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Establish a Vision. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Develop the Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Sustain the Effort. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Apply Lessons Learned . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
Ask the Right Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Be Creative. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Collaborate! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Deliver the Package . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
12 Spaceplanes at the Spaceport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Today’s Spaceplanes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Benson Dream Chaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Bristol Spaceplanes Ascender. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
EADS Astrium Spaceplane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
Ramstar Orbital Spaceplane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
Rocketplane XP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Skylon. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Spacefleet SF-01. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
SpaceShipOne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
SpaceShipTwo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
XCOR Xerus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Space Hotels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Airports Today, Spaceports Tomorrow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Tomorrow’s Spaceplanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Beyond the Spaceplane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
Appendix A Glossary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Appendix B Spaceplane Mathematics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Appendix C Spaceplane Timeline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Appendix D Spaceplane Data. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Preface
Spaceplanes are an important part of our future in space. It is the aim of this book
to show how spaceplanes of the near future will be developed, how they compare
to conventional aircraft and launch vehicles, and how advanced spaceplanes will
eventually become the dominant form of space access. In this book, you will find
material on airplanes and rockets, in addition to rocketplanes and spaceplanes. The
idea here is to allow true comparisons to be made, because only by comparing these
modes of transport can one develop a good understanding of the subject.
The idea of winging one’s way through airless space might seem strange. But a
thoughtful analysis of every stage of flight, including the return trip, reveals that
spaceplanes have a future not just in near-Earth space but also farther afield.
The idea of lunar and interplanetary spaceflight using spaceplanes begins to
make more sense when several important factors are recognized. These factors
include (1) the spaceplane’s large propellant tanks, which would make it the ideal
space tanker, (2) inflatable space habitats that could easily be carried on and
deployed from spaceplanes, (3) the low G entries spaceplanes can make into plan-
etary atmospheres, and (4) the fact that they can fly efficiently through any atmo-
sphere, including the atmospheres on Mars, Venus, and Titan. Of course, the main
factor is the reusability built into every spaceplane, which will make spaceplanes
the space workhorses of the future. But let us start at the beginning, and get a handle
on a few basic definitions.
What is involved in spaceflight? To understand this complex question, it
behooves the wise reader to understand what precisely is meant by space and what
precisely is meant by flight. Entering space does not necessarily mean entering
orbit. In fact, the energy requirements for entering into low-Earth orbit are some 30
times those required for reaching space height, defined as 100 km above sea level.
It is possible to orbit Earth at an altitude of 160 km, yet a stationary object – relative
to Earth – placed 1.6 million km away will still fall to the ground as assuredly as
any dropped object. The only exception is that it may fall onto the Moon first, if
that celestial body happens to get in the way. The reason the X-15 and SpaceShipOne
could not stay in space was not because they had not gone far enough, but because
they had not gone fast enough. But back to the subject at hand, space itself.
xi