[AR] Re: SpaceX Single Stage to Orbit

  • From: "Michael S. Kelly" <mskellyrlv@xxxxxxxxxxxxx>
  • To: "arocket@xxxxxxxxxxxxx" <arocket@xxxxxxxxxxxxx>
  • Date: Fri, 31 May 2019 18:48:12 -0400

The sole effect of wing lift on ascent is to make it harder to get to orbit.  
The trajectory optimization problem is, rather simply put, to maximize the 
fraction of propellant energy that winds up in the sum of vehicle kinetic and 
potential energy for the desired orbit.  Wings only subtract energy.  Lift is 
defined as being at right angles to the velocity vector, while drag is defined 
as parallel to the velocity vector.  Since work (i.e. energy change) is the dot 
product of force and distance, the rate of work going into the vehicle is the 
dot product of each applied force with the velocity vector.  The dot product of 
lift with velocity is zero, so no matter how much lift one applies, LIFT does 
not change vehicle energy at all.  However, the drag due to lift does change 
vehicle energy.  It reduces it.  Using brute force trajectory optimization will 
get one a “least bad” use of lift compared to an optimal gravity turn, but it 
will never give an improvement.  That doesn’t stop some people from looking for 
one, but it’s equivalent to searching for a perpetual motion machine.

Sent from Mail for Windows 10

From: Henry Spencer
Sent: Tuesday, May 28, 2019 7:11 PM
To: Arocket List
Subject: [AR] Re: SpaceX Single Stage to Orbit

On Tue, 28 May 2019, Nels Anderson wrote:

... It seems perfectly reasonable that air breathers would have lower 
gravity losses.  What's not clear to me is that they 1) would be *much* 
lower (in the context of a total delta-V budget of 9000+ m/s), and 2) 
would not eaten up by larger drag losses.

Note, there are actually two separate issues here:  airbreathing engines, 
and wing lift.  Winged rockets are a reasonable possibility, as witness 
Pegasus and various unflown designs like RASV (the Shuttle doesn't count 
because it made no attempt to exploit wing lift during ascent).  Wingless 
airbreathers are also possible in theory, although pretty useless in 
practice because the T/W of airbreathing engines is so dismal.

One might think that, other things being equal, wing lift should show a 
net gain even with typically-poor hypersonic L/D values, given that they 
are still well in excess of 1.  Unfortunately, wings incur not only a drag 
penalty, but also a mass penalty, especially when they have to be 
protected against high-speed heating.  That makes the gain much more 
arguable, and also rather harder to estimate.  You might get some of that 
mass back if it lets you reduce your engine thrust and hence engine mass; 
you might get more back if you believe you want wings for reentry/landing 
anyway.  Maybe.

A more subtle issue with both wings and airbreathing engines is that they 
tempt you to modify your ascent trajectory to stay in the atmosphere 
longer, to exploit them more.  That often seems to produce a death spiral 
of escalating drag and heat and mass, in which the design never closes.

Henry

Other related posts:

  1. Home
  2. arocket
  3. Archive
  4. 05-2019