Sr 71 Propulsion

8/22/2019 Sr 71 Propulsion

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A T e c h n o l o g y P a t h w a y f o r A i r b r e a t h i n g ,

C o m b i n e d - C y c l e , H o r i z o n t a l S p a c e L a u n c h T h r o u g h

S R - 7 1 B a s e d T r a j e c t o r y M o d e l i n g

K u r t J . K l o e s e l

, N a l i n A . R a t n a y a k e

, a n d C a s i e M . C l a r k

N A S A D r y d e n F l i g h t R e s e a r c h C e n t e r , E d w a r d s A F B , C a l i f o r n i a , 9 3 5 2 3

A c c e s s t o s p a c e i s i n t h e e a r l y s t a g e s o f c o m m e r c i a l i z a t i o n . P r i v a t e e n t e r p r i s e s h a v e

b e e n m a k i n g h e a d w a y i n t o l o w - E a r t h o r b i t l a u n c h s y s t e m s f o r s m a l l - w e i g h t - c l a s s p a y l o a d s

o f a p p r o x i m a t e l y 1 , 0 0 0 l b . T h e s e m o d e s t g a i n s h a v e e m b o l d e n e d t h e l a u n c h i n d u s t r y ,

w h i c h i s n o w p o i s e d t o m o v e i n t o t h e m i d d l e - w e i g h t c l a s s ( a p p r o x i m a t e l y 5 0 0 0 l b ) . T h e

m a j o r i t y o f t h e s e c o m m e r c i a l l y s u c c e s s f u l s y s t e m s a r e b a s e d o n r e l a t i v e l y s t r a i g h t f o r w a r d

t w o - s t a g e , l i q u i d p r o p e l l a n t r o c k e t t e c h n o l o g y d e v e l o p e d b y t h e U n i t e d S t a t e s G o v e r n -

m e n t 4 0 y e a r s a g o , a c c o m p a n i e d b y m a n y t e c h n o l o g y i m p r o v e m e n t s . C o n g u r a t i o n s t h a t

i n c o r p o r a t e a i r b r e a t h i n g , r e u s a b l e c a r r i e r v e h i c l e s f o r t h e r s t l a u n c h s t a g e a r e t h e n e x t

p a r a d i g m i n d e v e l o p i n g g a m e - c h a n g i n g a c c e s s - t o - s p a c e t e c h n o l o g i e s . W h i l e m a n y c o n c e p -

t u a l d e i s g n s e x i s t , t e c h n o l o g i c a l a d v a n c e m e n t i n k e y a r e a s s u c h a s c o m b i n e d - c y c l e e n g i n e s

i s p r e d i c a t e d u p o n s u c c e s s f u l i g h t r e s e a r c h . I n t h i s s t u d y , a i r b r e a t h i n g a c c e s s - t o - s p a c e


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L O X L i q u i d O x y g e n

N A S A N a t i o n a l A e r o n a u t i c s a n d S p a c e A d m i n i s t r a t i o n

O T I S O p t i m a l T r a j e c t o r i e s b y I m p l i c i t S i m u l a t i o n

P O S T P r o g r a m t o O p t i m i z e S i m u l a t e d T r a j e c t o r i e s

R B C C R o c k e t - B a s e d C o m b i n e d - C y c l e

R P R o c k e t P r o p e l l a n t ( k e r o s e n e )

S P A D S p a c e P r o p u l s i o n A n a l y s i s a n d D e s i g n

S T P S t a n d a r d T e m p e r a t u r e a n d P r e s s u r e

T B C C T u r b i n e - B a s e d C o m b i n e d C y c l e

I . I n t r o d u c t i o n

F e w s u b j e c t s i n t h e a r e n a o f t e c h n o l o g i c a l d e v e l o p m e n t o v e r t h e l a s t s i x t y y e a r s h a v e p r o d u c e d m

i n n o v a t i v e a n d v a r i e d i d e a s f o r i m p l e m e n t a t i o n t h a n t h a t o f h o w w e h u m a n b e i n g s m a y m o s t e e c t i

l e a v e t h e p l a n e t o f o u r o r i g i n . Y e t , d e s p i t e t h e v a s t n u m b e r o f p o t e n t i a l c o n c e p t s , a c c e s s - t o - s p a c e

i n p r a c t i c e r e m a i n e d w i t h o u t a p a r a d i g m s h i f t s i n c e t h e d a y s o f W e r n h e r v o n B r a u n . T h e c o n v e n t i

l i q u i d - f u e l r o c k e t e n g i n e h a s u n d e r g o n e m a n y t e c h n o l o g i c a l a d v a n c e s o v e r t h e p a s t f e w d e c a d e s , b u t

f u n d a m e n t a l m o d e o f o p e r a t i o n r e m a i n s e s s e n t i a l l y u n c h a n g e d s i n c e t h a t o f t h e e a r l i e s t e x a m p l e s o f m o

l i q u i d - f u e l e d r o c k e t r y . P r e s e n t p o l i c y o n s p a c e e x p l o r a t i o n a n d t e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t i s n o w a m e n

t o t h e c o n s i d e r a t i o n o f a l t e r n a t i v e a c c e s s - t o - s p a c e t e c h n o l o g i e s . A i r c a r r i e r o r h o r i z o n t a l l a u n c h s y s t

e l e c t r o m a g n e t i c r a i l l a u n c h , a n d o t h e r s u c h c o n c e p t s n o w h a v e t h e p o t e n t i a l t o r e c e i v e g r e a t e r a t t e n t i o n

w e l l a s r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t i n v e s t m e n t .

S i n c e t h e b e g i n n i n g s o f t h e s p a c e p r o g r a m , t h e d e v e l o p m e n t o f n e w v e h i c l e s h a s a l w a y s r e l i e d

a e r o n a u t i c s - b a s e d t e c h n o l o g i e s t o a d v a n c e t o e a c h n e w p a r a d i g m i n s p a c e i g h t . T h e r s t e r a o f l

r o c k e t r y u p t h r o u g h t h e A p o l l o p r o g r a m d r e w h e a v i l y o n e a r l y w o r k b y v o n B r a u n , H e r m a n n O b e r t h ,

o t h e r s i n s u p e r s o n i c a e r o d y n a m i c s , s t a b i l i t y a n d c o n t r o l s y s t e m s , g a s d y n a m i c s , e t c e t e r a . T h e n e x t


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I t i s n o t t h e i n t e n t o f t h i s s t u d y t o d e s i g n a n i n t e g r a t e d s p a c e c r a f t o r p e r f o r m a g u r e - o f - m e r i t c o m p a r

b e t w e e n R B C C a n d T B C C t e c h n o l o g i e s , b u t r a t h e r t o e x p l o r e t h e e x t e n t t o w h i c h p r e s e n t ( o r e v e n l e g

s y s t e m s m a y b e u s e d t o b r i n g e i t h e r o f t h e s e e n g i n e t e c h n o l o g i e s t o i g h t r e s e a r c h a s e c i e n t l y a s p o s s

T o t h i s e n d , i n d e p e n d e n t r e s e a r c h e r s s t u d i e d t h e T B C C a n d R B C C m o d e s o f a i r b r e a t h i n g a c c e s s - t o - s p

n o a t t e m p t w a s m a d e t o q u a n t i t a t i v e l y a s s e s s a n o v e r a l l a d v a n t a g e o f o n e o v e r t h e o t h e r . T h e r e s u l t s o f b

s u b - s t u d i e s a r e p r e s e n t e d .

A . R o c k e t - B a s e d C o m b i n e d C y c l e E n g i n e s : B a c k g r o u n d

R o c k e t - b a s e d c o m b i n e d - c y c l e e n g i n e s a r e s y n t h e s e s o f r o c k e t a n d a i r b r e a t h i n g p r o p u l s i o n s y s t e m s t h a t

o p e r a t e i n e j e c t o r ( d u c t e d r o c k e t ) , r a m j e t , s c r a m j e t , a n d p u r e r o c k e t m o d e s .

9

D u r i n g o p e r a t i o n i n

e j e c t o r m o d e ( s u i t a b l e f o r g r o u n d l a u n c h ) , t h e t h r u s t f r o m t h e r o c k e t e n g i n e i s a u g m e n t e d b y t h e e n t r a

a i r f r o m t h e e j e c t o r a c t i o n o f t h e r o c k e t p l u m e s o w i n g i n s i d e t h e a i r b r e a t h i n g o w p a t h . T h e r e m a i

t h r e e m o d e s , l i s t e d i n t h e o r d e r o f t h e i r u s u a l l y - d e s i g n e d p h a s e o f o p e r a t i o n , a r e m o r e w e l l - k n o w n e n

c o n c e p t s , a n d a r e a s s u m e d t o b e l a r g e l y s e l f - e x p l a n a t o r y . R o c k e t - b a s e d c o m b i n e d - c y c l e e n g i n e s c o u l d b e

r s t o r i n t e r m e d i a t e s t a g e i n a m u l t i s t a g e s y s t e m f o r s p a c e l a u n c h .

A n R B C C - t y p e e n g i n e o p e r a t e s i n o n e o r m o r e a i r b r e a t h i n g m o d e s a t a l t i t u d e s l o w e n o u g h t o p r o

a d e q u a t e m a s s i n g e s t i o n t o u s e o x y g e n f r o m t h e a t m o s p h e r e , a n d t h e n s w i t c h e s t o p u r e r o c k e t o p e r a t i o

h i g h e r a l t i t u d e s a n d i n s p a c e i g h t . T h e a i r b r e a t h i n g m o d e a l l o w s t h e c r a f t t o a v o i d c a r r y i n g t h e m a

t h e o x i d i z e r t h a t i s r e q u i r e d f o r a s c e n t t h r o u g h t h e l o w e r a l t i t u d e s , a n d t h u s i n t h e o r y r e a l i z e s a s i g n i

p r o p e l l a n t w e i g h t s a v i n g s ( a n d a s s o c i a t e d i n c r e a s e d p a y l o a d f r a c t i o n ) o v e r p u r e r o c k e t s . T h e s a v i n g s

e s t i m a t e d t o b e p o s s i b l y a s h i g h a s a f a c t o r o f v e t o t e n ,

1 0

a l t h o u g h t h e s e c l a i m s a r e g e n e r a l l y t h e r e

o f m o d e l i n g s t u d i e s a n d a r e u n v e r i e d b y s u b s t a n t i a l i g h t d a t a a s o f y e t . T h e l a r g e s a v i n g s i n p r o p e

m a s s a r e , h o w e v e r , c o u n t e r a c t e d b y i n c r e a s e d s y s t e m d r y m a s s .

R o c k e t - b a s e d c o m b i n e d - c y c l e d e v e l o p m e n t e o r t s , a t l e a s t i n a c o n c e p t u a l s e n s e , h a v e b e e n o n g o i n g s

t h e 1 9 4 0 s . N a t u r a l l y , a c o m p r e h e n s i v e h i s t o r y o f R B C C d e v e l o p m e n t o v e r t h e l a s t h a l f c e n t u r y i s n o t p o s


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o w v e l o c i t i e s m a k e s u c h m a c h i n e r y i m p r a c t i c a l o r r e d u n d a n t o r b o t h . S u c h a c o n g u r a t i o n b y i t s e l f i s

c a p a b l e o f o r b i t a l i n s e r t i o n b e c a u s e a t s o m e a l t i t u d e t h e r a m j e t m o d e w i l l l a c k t h e i n l e t m a s s o w t o s u s

t h r u s t ; h o w e v e r , T B C C e n g i n e s h o l d s t r o n g p r o m i s e f o r u s e w i t h c a r r i e r v e h i c l e s o r a t m o s p h e r i c a s

s t a g e s . T u r b o j e t p r o p u l s i o n s y s t e m s a r e g e n e r a l l y l i m i t e d t o M a c h 3 d u e t o t h e r i s e i n i n l e t t e m p e r a

p r e s e n t a t t h e c o m p r e s s o r f a c e ; t u r b i n e e n g i n e s a r e a l s o i n g e n e r a l m o r e l i m i t e d i n a l t i t u d e w i t h r e s p e c

t h e i r r a m j e t c o u n t e r p a r t s a s w e l l . T h e y p r o v i d e m o r e e c i e n t o p e r a t i o n , h o w e v e r , a t l o w e r a l t i t u d e s

M a c h n u m b e r s r e l a t i v e t o r a m j e t - b a s e d e n g i n e s .

1 4

T h e l i m i t a t i o n t o l o w e r M a c h n u m b e r s a n d a l t i t u d

n o t u n i v e r s a l , e s p e c i a l l y i f t h e r a m j e t m o d e i s e e c t i v e e n o u g h t o c o m p e n s a t e f o r t h e a d d i t i o n a l w e i g h

t h e t u r b o m a c h i n e r y .

T u r b i n e - b a s e d c o m b i n e d - c y c l e e n g i n e s h a v e s e e n a c t u a l i g h t t i m e , a q u a l i c a t i o n w h i c h i s n o t s h a r e

R B C C e n g i n e s . F o r e x a m p l e , t h e S R - 7 1 J - 5 8 e n g i n e i s a t u r b i n e - b a s e d e n g i n e t h a t o p e r a t e s i n m u l t i p l e c y

d e p e n d i n g o n t h e i g h t r e g i m e ( w i t h k n o w n c r u i s e c o n d i t i o n s o f a p p r o x i m a t e l y M a c h 3 . 2 a t a n a l t i t u d

7 0 , 0 0 0 f t ) . A d d i t i o n a l l y , r e c e n t a d v a n c e d h y p e r s o n i c s y s t e m s s u c h a s t h e D e f e n s e A d v a n c e d R e s e a r c h P r o j

A g e n c y ( D A R P A ) a n d U S A F F o r c e A p p l i c a t i o n a n d L a u n c h f r o m t h e C o n t i n e n t a l U n i t e d S t a t e s ( C O N

( F A L C O N ) B l a c k s w i f t p r o g r a m h a v e p r o p o s e d u s i n g T B C C - c l a s s p r o p u l s i o n s y s t e m s .

1 5

T h e D A R P A

s t u d i e d t h e R e s p o n s i v e A c c e s s S m a l l C a r g o A o r d a b l e L a u n c h ( R A S C A L ) v e h i c l e

1 6

i n t h e e a r l y 2 0 0 0 s , w h

t h o u g h i t d i d n o t u t i l i z e a n i n t e g r a t e d c o m b i n e d - c y c l e e n g i n e i n t h e p u r e s t s e n s e , d i d m a k e u s e o f m u l

e n g i n e c y c l e s i n t h e s a m e l a u n c h s y s t e m . A s s u c h , T B C C e n g i n e s c a n l i k e l y b e c o n s i d e r e d a m o r e m a

t e c h n o l o g y w h e n c o m p a r e d t o R B C C e n g i n e s , b u t t h e l a t t e r a r e n o t f a r b e h i n d .

F o r m o s t c a s e s , a t l e a s t s o m e t u r b i n e o p e r a t i o n w i l l m o s t l i k e l y b e r e q u i r e d f o r a s i g n i c a n t p o r

o f t h e t r a j e c t o r y i n o r d e r t o p r o v i d e s y s t e m p o w e r f o r t h e o p e r a t i o n o f t h e v e h i c l e . T h e R B C C e n g i n e

c o m p a r i s o n , c a n n o t d i r e c t l y s u p p l y o n - b o a r d p o w e r ; t h u s , a n a d d i t i o n a l a u x i l i a r y p o w e r u n i t o r p o w e r s u p

w o u l d l i k e l y b e n e c e s s a r y f o r s u c h s y s t e m s .

C . T h e S R - 7 1 A e r o d y n a m i c M o d e l


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F i g u r e 1 . T h e L o c k h e e d S R - 7 1 B l a c k b i r d i n i g h t w i t h t h e L i n e a r A e r o s p i k e S R - 7 1 E x p e r i m e n t ( L A S

a t t a c h e d .

I n i t i a l t e s t s o f t h e m o d e l w e r e s i m u l a t e d u s i n g l e v e l i g h t a t a n a l t i t u d e o f 7 0 , 0 0 0 f t t o d e t e r m i n e i f

c r u i s e p e r f o r m a n c e c o m p a r e d w e l l w i t h k n o w n d a t a . M o d e l l e v e l - c r u i s e p e r f o r m a n c e w a s f o u n d t o b e b e y

1 0 0 0 n m , w h i c h w a s i n t h e o r d e r o f m a g n i t u d e o f t h e p e r f o r m a n c e o f t h e S R - 7 1 . T h e v a l i d a t i o n p r o


6/43

i m m a t e r i a l , a s t h e o b j e c t i v e o f t h e p a p e r i s n o t t o d e s i g n a n e w c o n c e p t u a l s y s t e m , b u t t o d e m o n s t r a t e

c o m b i n e d - c y c l e e n g i n e t e c h n o l o g y c a n b e b r o u g h t t o i g h t r e s e a r c h e v e n u s i n g a h y p o t h e t i c a l c a r r i e r v e

b a s e d o n d e c a d e s - o l d t e c h n o l o g y .

I I . E n g i n e M o d e l i n g

T w o e n g i n e m o d e l s w e r e u s e d f o r t h e t r a j e c t o r y s i m u l a t i o n s . T h e r s t w a s t h e M a r q u a r d t M A 1 3 9 - X

e j e c t o r r a m j e t ( a n R B C C ) . T h e s e c o n d w a s t h e P r a t t & W h i t n e y J - 5 8 e n g i n e c o r e u s e d i n t h e L o c k

S R - 7 1 e n g i n e s y s t e m ( a T B C C ) .

A . T h e M a r q u a r d t E j e c t o r R a m j e t M o d e l s

I n t h e l a t e 1 9 5 0 s a n d t h r o u g h t h e 1 9 6 0 s , t h e M a r q u a r d t C o r p o r a t i o n c o n d u c t e d r e s e a r c h o n c o m b i n e d - c

e n g i n e s w i t h t h e i r g r o u n d b r e a k i n g s t u d y o f 3 6 d i e r e n t c o m b i n e d - c y c l e e n g i n e m o d e l s u n d e r N A S A c o n t

N A S 7 - 3 7 7 2 a s w e l l a s s e v e r a l c o n t r a c t s f o r t h e U n i t e d S t a t e s A r m y , N a v y , a n d A i r F o r c e . T o t h e a u t h

k n o w l e d g e , t h i s r e m a i n s t h e m o s t c o m p r e h e n s i v e h a r d w a r e t e s t i n g a n d d e v e l o p m e n t p r o g r a m f o r r a m j e t

R B C C e n g i n e s y s t e m s t o d a t e t h a t i s a v a i l a b l e i n t h e l i t e r a t u r e .

1 . B a s e M o d e l D e v e l o p m e n t a n d V a l i d a t i o n

T h e b a s e m o d e l e n g i n e c h o s e n w a s t h e 1 9 6 8 e j e c t o r r a m j e t e n g i n e d e s i g n e d a n d t e s t e d b y t h e M a r q u

C o r p o r a t i o n a n d d e s c r i b e d b y O d e g a a r d .

5

A s u b s c a l e b o i l e r p l a t e e n g i n e w a s s u b j e c t e d t o g r o u n d - t e s t i n g

a n u m b e r o f d i e r e n t c o n g u r a t i o n s ; f u l l - s c a l e , i g h t - w e i g h t m o d e l s w e r e s u b j e c t e d t o m o r e l i m i t e d t e s t

B e c a u s e o f t h e g r e a t e r q u a n t i t y o f t e s t d a t a a v a i l a b l e , t h e s u b s c a l e e n g i n e w a s u s e d f o r m o d e l v a l i d a t

T h e v a l i d a t e d m o d e l w a s t h e n s c a l e d u p a n d a d j u s t e d t o m a t c h t h e p e r f o r m a n c e o f t h e f u l l - s c a l e M A

X A A e n g i n e , w h i c h i s a i g h t - w e i g h t e j e c t o r r a m j e t c a p a b l e o f 6 0 , 0 0 0 l b f s e a - l e v e l s t a t i c t h r u s t .

2 0

B o t h


7/43

c h a m b e r c o m p o n e n t w a s f o u n d t o b e i n c o m p a t i b l e w i t h t h e r e s t o f t h e m o d e l s e t u p . I n s i m p l e r t e s t m o

i t w a s f o u n d t h a t a r e a c t a n t s i n j e c t i o n s t a t i o n y i e l d e d t h e s a m e r e s u l t s a s a c o m b u s t i o n c h a m b e r , s o i t

b e r e a s o n a b l y a s s u m e d t h a t t h e t w o c a n b e u s e d i n t e r c h a n g e a b l y .

T h e r e a c t a n t s s t a t i o n a l l o w s f o r s p e c i c a t i o n o f f u e l a n d o x i d i z e r o w , a n d , i n t h i s c a s e , i s i n j e c t i n g

g a s a t a t e m p e r a t u r e h i g h e n o u g h f o r t h e o r e t i c a l l y i n s t a n t a n e o u s c o m b u s t i o n . R a m j e t - o n l y m o d e w a s

w i t h a s e p a r a t e G E C A T m o d e l b e c a u s e m u c h b e t t e r r e s u l t s w e r e o b t a i n e d b y h a v i n g s e p a r a t e m o d e l s

t h e e j e c t o r a n d r a m j e t m o d e s . T h e d e f a u l t G E C A T r a m j e t e n g i n e c o n g u r a t i o n w a s c h o s e n , a n d m o d

b y r e p l a c i n g t h e c o m b u s t i o n c h a m b e r w i t h a r e a c t a n t s s t a t i o n .

M o d e l i n g t h e e n g i n e p r o v e d t o b e a c h a l l e n g e b e c a u s e t h e M a r q u a r d t C o r p o r a t i o n d o c u m e n t a t i o n d i d

s u p p l y a l l t h e n e e d e d v a r i a b l e s . A m o d e l w a s t h u s d e v e l o p e d b y m a k i n g r e a s o n a b l e e s t i m a t e s a n d c o m p a

t h e r e s u l t s w i t h t h e g r o u n d - t e s t d a t a f o r e a c h c a s e . T h e e n g i n e m o d e l c h o s e n w a s t h e o n e t h a t m o s t c l o

a p p r o x i m a t e d e a c h t e s t c o n d i t i o n . F l o w c h a r t s o f t h e G E C A T m o d e l s f o r t h e p u r e r a m j e t a n d t h e r o

e j e c t o r m o d e s a r e s h o w n i n F i g u r e s 3 ( a ) a n d 3 ( b ) , r e s p e c t i v e l y .

( a ) P u r e r a m j e t o p e r a t i o n o w c h a r t .


8/43

F i g u r e 4 . T h e G r a p h i c a l E n g i n e C y c l e A n a l y s i s T o o l r o c k e t - b a s e d c o m b i n e d - c y c l e m o d e l e s t i m a t e s o f

l e v e l s t a t i c t h r u s t a n d s p e c i c i m p u l s e c o m p a r e d w i t h t h e o v e r a l l e n g i n e e q u i v a l e n c e r a t i o , p l o t t e d a g a

M a r q u a r d t C o r p o r a t i o n t e s t d a t a .


9/43

4 . T h e F u l l - S c a l e M A 1 3 9 - X A A E j e c t o r R a m j e t E n g i n e

T h e s u b s c a l e e n g i n e m o d e l , h a v i n g b e e n v a l i d a t e d a g a i n s t t h e g r o u n d - t e s t d a t a f r o m t h e M a r q u a r d t

p o r a t i o n , w a s t h e n s c a l e d u p t o m a t c h t h e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e M A 1 3 9 - X A A f u l l - s c a l e e j e

r a m j e t a s d e s c r i b e d b y t h e M a r q u a r d t a n n u a l r e p o r t s t o t h e U S A F d u r i n g t h e i r 1 9 6 4 p r o g a m .

2 0

A c l u s t

2 4 r e g e n e r a t i v e l y - c o o l e d L O X / R P r o c k e t s f o r m s t h e p r i m a r y s y s t e m , e a c h w i t h 2 , 9 6 0 l b f o f t h r u s t a t s t a n d

c o n d i t i o n s . H y d r o c a r b o n i n j e c t o r s a r e u s e d f o r t h e a f t e r b u r n e r , w h i c h i s d o w n s t r e a m o f t h e m i x i n g c h a m

E a c h e n g i n e w e i g h s 5 , 3 0 0 l b m a n d g e n e r a t e s 8 0 , 0 0 0 l b f o f s e a l e v e l s t a t i c t h r u s t ( w h e r e a u g m e n t a t i o n i s l

e e c t i v e ) . G r o u n d - t e s t d a t a a r e a v a i l a b l e f o r a n u m b e r o f d i e r e n t e q u i v a l e n c e r a t i o s , s e c o n d a r y - t o - p r i m

o w r a t i o s , m i x e r i n l e t M a c h n u m b e r s , a n d i g h t M a c h n u m b e r s , e a c h f o r v a r i o u s p r o p e l l a n t c o m b i n a t i

T h e e n g i n e d a t a u s e d i n t h e p r e s e n t s t u d y w e r e f o r p r i m a r y c h a m b e r p r e s s u r e o f 6 0 0 p s i a , t h e p r i m a r y

a f t e r b u r n e r c o m b u s t i o n c h a m b e r s a t s t o i c h i o m e t r i c e q u i v a l e n c e r a t i o , a n d p r i m a r y a n d a f t e r b u r n e r c h a m

o p e r a t i n g a t 0 . 9 5 e c i e n c y . G r o u n d - t e s t d a t a s h o w e d t h a t t h e s e c o n d a r y - t o - p r i m a r y o w r a t i o w a s t h e m

s i g n i c a n t i n u e n c e o n n e t t h r u s t a n d s p e c i c f u e l c o n s u m p t i o n , e v e n m o r e s o t h a n e q u i v a l e n c e r a t i

o t h e r f a c t o r s ; t h i s v e r i e s t h e a d v a n t a g e o f u s i n g c o m b i n e d c y c l e s .

W h i l e a m o r e a d v a n c e d f u l l - s c a l e v e r s i o n , t h e M A 1 4 0 - X A B , w a s a l s o d e v e l o p e d , t h e M a r q u a r d t M A

X A A e n g i n e i s t h e o n e t h a t w a s c h o s e n f o r u s e i n t h e R B C C a i r - c a r r i e r t r a j e c t o r y s i m u l a t i o n s p r e s e n t e

t h e s e c t i o n s b e l o w . T h e d e c i s i o n w a s m a d e t o m a i n t a i n h y d r o c a r b o n a s t h e f u e l f o r b o t h t h e p r i m a r y

a f t e r b u r n e r c o m b u s t i o n ; a s i m i l a r a n a l y s i s c o u l d b e p e r f o r m e d f o r t h e L O X / L H 2 p r i m a r y a n d a f t e r b u

c o n g u r a t i o n s .

B . T h e P r a t t & W h i t n e y J - 5 8 E n g i n e R e p r e s e n t a t i o n

T h e J - 5 8 e n g i n e f o r t h e S R - 7 1 w a s a i n n o v a t i v e m a r v e l f o r i t s t i m e ( 1 9 5 0 - 1 9 6 0 s ) , u s i n g t h e m o s t e x t r

m a t e r i a l s a v a i l a b l e d u r i n g t h a t t i m e p e r i o d . A f t e r 5 0 y e a r s o f t e c h n o l o g i c a l d e v e l o p m e n t i n m a t e r i a l s r e s e a

h o w e v e r , t h e f a i l u r e t e m p e r a t u r e a n d f a i l u r e s t r e n g t h o f a c o m m o n c o m m e r c i a l o r m i l i t a r y j e t e n g i n e c a n

m e e t a l a r g e p o r t i o n o f t h e p e r f o r m a n c e o p e r a t i o n e n v e l o p e ( t h r u s t , w e i g h t , f u e l c o n s u m p t i o n ) o f t h e


10/43

I I I . M i s s i o n T r a j e c t o r i e s a n d P e r f o r m a n c e

T r a j e c t o r y o p t i m i z a t i o n w a s p e r f o r m e d u s i n g t h e R B C C a n d T B C C p r o p u l s i o n s y s t e m m o d e l s a s i n s t a

o n t o a h y p o t h e t i c a l s u p e r s o n i c c a r r i e r v e h i c l e t h a t w a s a s s u m e d t o h a v e t h e b a s e a e r o d y n a m i c m o d e l

p r o p u l s i o n p e r f o r m a n c e o f t h e S R - 7 1 a i r c r a f t .

2 3

T e s t i g h t s o f t h e S R - 7 1 c a r r y i n g t h e L A S R E i n d i c a t e

s u c h a c a r r i e r a i r c r a f t , e n c u m b e r e d w i t h t h e a d d i t i o n a l d r a g o f a n e x t e r n a l c o m p a n i o n v e h i c l e , w o u l d b e

t o a c h i e v e a n a p p r o x i m a t e c r u i s e c o n d i t i o n o f M a c h 3 . 0 a t a n a l t i t u d e o f 7 0 , 0 0 0 f t .

2 4

T h e b a s i s o f a n y u s e f u l c o m p a r i s o n b e t w e e n l o w - E a r t h o r b i t ( L E O ) a c c e s s - t o - s p a c e l a u n c h s y s t e m s s h

b e a g a i n s t a h i s t o r y o f d a t a o n s u c c e s s f u l s y s t e m s . T h e S p a c e X ( S p a c e E x p l o r a t i o n T e c h n o l o g i e s , H a w t h o

C a l i f o r n i a ) F a l c o n - 1 , a 6 1 . 5 - k l b f g r o s s t a k e o w e i g h t , L O X / R P s y s t e m h a s s u c c e s s f u l l y d e l i v e r e d a 1 6

( 3 6 3 - l b ) p a y l o a d i n t o a 6 4 3 - b y 6 2 1 - k m ( 4 0 0 - b y 3 8 6 - m i ) L E O a t a n o r b i t a l i n c l i n a t i o n o f 9 . 3 5 d e g , a n d

c h o s e n a s t h e a n a l y s i s r e f e r e n c e p o i n t .

A P O S T m o d e l w a s c o n s t r u c t e d o f t h e S p a c e X F a l c o n - 1 l a u n c h v e h i c l e u s i n g i n f o r m a t i o n f r o m t h e S p a

p a y l o a d U s e r ' s G u i d e .

2 5

S e v e r a l i t e r a t i o n s w e r e p e r f o r m e d t o a t t e m p t t o m a t c h t h e r s t - s t a g e p e r f o r m

u s i n g a b a l l i s t i c m o d e l . O n c e t h e b o o s t e r s t a g e w a s s u c c e s s f u l l y m a t c h e d , t h e P O S T I I o p t i m i z e r

a c t i v a t e d a n d t h e s e c o n d s t a g e w a s a d d e d t o c o m p l e t e t h e s i m u l a t i o n a n d d e l i v e r a p p r o x i m a t e l y 5 4 8

i n t o o r b i t a l c o n d i t i o n s o f a n i n e r t i a l v e l o c i t y o f 2 5 , 7 2 4 f t / s a t a n a l t i t u d e o f 5 2 0 , 9 9 7 f t a n d a n i n c l i n a t i o

2 8 . 9 d e g ( c o r r e s p o n d i n g t o a l a u n c h f r o m t h e N A S A K e n n e d y S p a c e C e n t e r , F l o r i d a ) .

F o r t h e a i r b r e a t h i n g t r a j e c t o r i e s , c o n s t a n t d y n a m i c p r e s s u r e p r o l e s a s p r e s c r i b e d b y O l d s e t a l .

2 6

w

i m p l e m e n t e d i n t o P O S T a n d u t i l i z e d . T h e m i n i m u m - f u e l c l i m b p r o l e s

2 7

w e r e a l s o e x a m i n e d ; t h e m i n i m

e n e r g y p a t h a n d t h e a d a p t e d c l i m b - d i v e p r o c e d u r e w e r e e x a m i n e d t o n d t h e e c i e n c y a d v a n t a g e s i n t

c a s e s . T h e R e d i n S R - 7 1 c l i m b - d i v e p r o c e d u r e

2 8

o p t i m i z e s t h e a s c e n t p r o l e i n t h e s u b s o n i c a n d t r a n s

a s c e n t r e g i o n a l l o w i n g f o r t h e a d d e d e c i e n c y o f l i f t , w e i g h t , t h r u s t , a n d b u r n f o r t h e p e n e t r a t i o n o f t h e s

b a r r i e r . O n c e t h e s o n i c b a r r i e r i s p e n e t r a t e d , t h e c o n s t a n t d y n a m i c p r e s s u r e p r o l e i s u s e d t o m a x i m i z e

e c i e n c y o f s u p e r s o n i c a i r b r e a t h i n g a c c e s s - t o - s p a c e a s c e n t p r o l e s u n t i l r s t - s t a g e s e p a r a t i o n .

T r a j e c t o r y m o d e l i n g w a s p e r f o r m e d a c c o r d i n g t o t h e f o l l o w i n g c r i t e r i a :


11/43

w a s u s e d a s a s i n g l e d e p e n d e n t v a r i a b l e . T h e t r a n s o n i c d i v e w a s m o d e l e d w i t h a c o n s t a n t i g h t p a t h a

t h a t t e r m i n a t e d a t 4 5 0 K E A S , a n d f r o m t h e n o n t h e t i m e r a t e o f c h a n g e o f t h e d y n a m i c p r e s s u r e w a s

a g a i n u s e d a s a c o n s t a n t d y n a m i c p r e s s u r e c l i m b t o h i g h e r a l t i t u d e s . T h e P O S T I I S R - 7 1 + L A S R E p i e c e

t r a j e c t o r y w a s m o d e l e d a s a c o n s t a n t M a c h 0 . 9 s u b s o n i c c l i m b , t h e n a d i v e a t a n a l t i t u d e o f a p p r o x i m a

4 0 , 0 0 0 f t , f o l l o w e d b y a c o n s t a n t d y n a m i c p r e s s u r e c l i m b o f

750lbf

/ft2

( 4 7 0 K E A S ) t o t h e h i g h e r a l t i t u d e

A s i n d i c a t e d b y t h e O T I S - o p t i m i z e d s i m u l a t i o n s , t h e i n i t i a l h e i g h t o f t h e t r a n s o n i c p e n e t r a t i o n d i v

h i g h e r f o r t h e L A S R E c o n g u r a t i o n . T h e r e w e r e a l s o d i e r e n c e s n o t e d i n t h e s u b s o n i c c l i m b c h a r a c t e r i s

T h e P O S T I I l e v e l i g h t o p t i o n i n t h e g e n e r a l i z e d a c c e l e r a t i o n g u i d a n c e m o d u l e w a s u s e d t o d e t e r m i n e

c h a n g e i n t h r o t t l i n g c h a r a c t e r i s t i c s . T h e b a s e l i n e r e a c h e d M a c h 0 . 8 4 a t a n a l t i t u d e 1 7 , 0 0 0 f t a n d t h e n b e

a c o n s t a n t - M a c h c l i m b t o 3 2 , 0 0 0 f t b e f o r e p e r f o r m i n g a t r a n s o n i c p e n e t r a t i o n d i v e . A s u p e r s o n i c , c o n s

d y n a m i c p r e s s u r e c l i m b w a s i n i t i a t e d a t M a c h 1 . 2 a n d a n a l t i t u d e o f 2 9 , 5 0 0 f t . I t w a s f o u n d t h a t t h e S R

L A S R E c l i m b m o d e l i n P O S T I I w a s v e r y s e n s i t i v e t o s m a l l c h a n g e s i n a l t i t u d e a n d M a c h n u m b e r .

T h e r e s u l t s o f m o d e l i n g t h e S R - 7 1 i n d i c a t e t h a t M a c h 3 . 0 a t a n a l t i t u d e o f 7 0 , 0 0 0 f t i s a f e a s i b l e s e p a r a

c o n d i t i o n a n d c o n f o r m s w i t h p r e v i o u s e o r t s , s u c h a s t h e M D - 2 1 / D - 2 1 a n d L A S R E e x p e r i m e n t s . T a b

p r e s e n t s t h e d i e r e n c e i n t i m e a n d f u e l c o n s u m p t i o n f o r t h e t w o c l i m b s . I n T a b l e 2 , a l l i n i t i a l w e i

a r e 1 4 0 , 0 0 0 l b m a n d t h e n a l a l t i t u d e w a s 7 0 , 0 0 0 f t . F i n a l v e l o c i t y w a s n o t h e l d a s a h a r d c o n s t r a i n t .

t r a j e c t o r i e s o f t h e s e a s c e n t p r o l e s i n b o t h O T I S a n d P O S T I I , w i t h a n d w i t h o u t t h e L A S R E d r a g i n c r e m

a r e s h o w n i n F i g u r e 6 .

S R - 7 1 c o n g u r a t i o n s F i n a l w e i g h t , l b m T o t a l t i m e , s F i n a l M a c h n u m b e r

O T I S b a s e l i n e 1 1 9 , 1 2 0 1 1 6 9 3 . 2

O T I S L A S R E 1 1 3 , 3 4 8 1 4 8 5 3 . 2

P O S T b a s e l i n e 1 1 4 , 3 0 0 1 6 3 1 3 . 0

P O S T L A S R E 1 0 6 , 2 6 0 1 6 2 7 3 . 0


12/43

a i r b r e a t h i n g b o o s t e r w i t h a r e d u c e d d r a g c o n g u r a t i o n t h a t c a n d e l i v e r 3 0 , 0 0 0 l b m t o M a c h 3 . 0 a

a l t i t u d e o f 7 0 , 0 0 0 f t . T h e r e f o r e , f o r t h e s e c o n d - s t a g e - a n d - b e y o n d , a l l - r o c k e t s y s t e m a n a l y s i s t h e a u t h o r

t h e u p p e r l i m i t a t 3 0 , 0 0 0 l b m . T h i s l i m i t a l s o p r o v i d e s a f u t u r e s t u d y d e s i g n c o n c e p t t h a t i n c l u d e s t h e w e

r e d u c t i o n o f t h e a i r b r e a t h i n g r s t s t a g e . T h e S R - 7 1 w a s m i s s i o n - s p e c i c , t h u s , t h e b o o s t s t a g e w a s f o c

o n s e c o n d - s t a g e a c c e s s - t o - s p a c e d e l i v e r y a n d n o t n e c e s s a r i l y o n l o i t e r i n g o r l o n g - r a n g e r e c o n n a i s s a n c e , w

w o u l d r e s u l t i n a d i e r e n t h e a t p r o l e .

T h e p a y l o a d - t o - o r b i t s t a g e w i l l e v e n t u a l l y r e q u i r e s o m e f o r m o f a p o g e e k i c k o r u p p e r - s t a g e g u i d a n c e

s i m p l i c i t y a t w o - s t a g e s o l i d r o c k e t w a s r s t c o n s i d e r e d . T h e g e n e r i c m e t h o d p r e s e n t e d i n A p p e n d i x

S p a c e P r o p u l s i o n A n a l y s i s a n d D e s i g n

2 9

( S P A D ) w a s r s t u s e d t o e s t i m a t e t h e s t a g i n g s i z e , f o l l o w e d b y

u t i l i z a t i o n o f a t r a j e c t o r y c o n s t r u c t i o n m e t h o d

3 0

t o r e p r e s e n t t h e a c t u a l s y s t e m s t h a t w e r e p o s s i b l e .

P O S T I I s o f t w a r e w a s u s e d a s t h e t r a j e c t o r y a n a l y s i s t o o l , w i t h t h e n a l w e i g h t t o o r b i t o p t i m i z e d b y u

i n e r t i a l p i t c h a s a c o n t r o l v a r i a b l e . F u t u r e s t u d i e s c o u l d i n c l u d e o p t i m i z a t i o n o f b u r n s e q u e n c i n g ; f o r n

t h e b u r n s e q u e n c e a n d c o a s t p h a s e w a s m a n u a l l y p e r f o r m e d b y e s t i m a t i n g t h e a p o g e e a n d k i c k - r e t i m

A g e n e r i c 1 0 0 - n m c i r c u l a r o r b i t w a s c h o s e n a s a r e f e r e n c e . T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t a n a i r b r e a t h i n g b o o

w i t h a t o t a l d r y s y s t e m w e i g h t u n d e r 6 0 , 0 0 0 l b m a y v e r y w e l l d e m o n s t r a t e t h e e c o n o m i c e e c t i v e n e s s o

a i r b r e a t h i n g r s t s t a g e .

2 . R o c k e t - B a s e d C o m b i n e d C y c l e t o S R - 7 1 C r u i s e C o n d i t i o n

U s i n g t h e m o d e l o f t h e M a r q u a r d t M A 1 3 9 - X A A e j e c t o r r a m j e t e n g i n e , P O S T I I s i m u l a t i o n s w e r e p e r f o r

o f b a s i c a s c e n t t r a j e c t o r i e s t o t h e e s t i m a t e d S R - 7 1 + L A S R E c r u i s e c o n d i t i o n o f M a c h 3 . 0 a n d a n a l t i

o f 7 0 , 0 0 0 f t . E a c h o f t h e t w o J - 5 8 e n g i n e s f r o m t h e T B C C m o d e l w e r e r e p l a c e d w i t h a n M A 1 3 9 - X

e n g i n e , w h i c h s t a r t e d t h e i g h t p r o l e i n e j e c t o r r a m j e t m o d e ( a i r - a u g m e n t e d r o c k e t s p l u s a f t e r b u r n i

A l e v e l a c c e l e r a t i o n f r o m a n i n i t i a l c o n d i t i o n o f M a c h 0 . 6 a t a n a l t i t u d e o f 2 , 0 0 0 f t w a s f o l l o w e d u n

d y n a m i c p r e s s u r e o f 4 5 0 K E A S ( 6 8 5 p s f ) w a s r e a c h e d . T h e a s c e n t t h e n f o l l o w e d a c o n s t a n t d y n a m i c p r e s

c l i m b u n t i l a t t a i n i n g M a c h 2 . 5 , w h i c h i s a f e a s i b l e r a m j e t s t a r t v e l o c i t y . A t t h i s p o i n t , m o d e - s w i t c h i n g


13/43

3 . R o c k e t - B a s e d C o m b i n e d C y c l e t o E x t e n d e d L a u n c h C o n d i t i o n

I t m a y g e n e r a l l y b e o b s e r v e d t h a t a f a i r c o m p a r i s o n b e t w e e n T B C C a n d R B C C s y s t e m s w o u l d n o t n e c e s s a

i n v o l v e t h e s a m e s t a g i n g p o i n t f o r t h e o r b i t a l i n s e r t i o n v e h i c l e . I f t h e t r a j e c t o r y i s i n i t i a l l y d e s i g n e d f o r

T B C C s y s t e m , t h e n a n R B C C p r o p u l s i o n s y s t e m y i n g t o t h e s a m e i g h t c o n d i t i o n w o u l d b e d e p r i v e

t h e r e g i m e f o r w h i c h i t i s b e s t s u i t e d . T h e T B C C s y s t e m w i l l b e m o r e e c i e n t t h a n t h e e j e c t o r r a m j e t m

o f a n R B C C f o r t h e s u b s o n i c a n d l o w - s u p e r s o n i c p o r t i o n o f t h e a s c e n t ; h o w e v e r , t h e R B C C p u r e - r a

m o d e c a n c o n t i n u e a v e r y e c i e n t , a i r b r e a t h i n g a s c e n t w e l l i n t o t h e M a c h 4 t o M a c h 5 r a n g e , a t a l t i t

e x c e e d i n g 9 0 , 0 0 0 f t . A d d i t i o n a l l y , t h e i n c r e a s e d m e c h a n i c a l c o m p l e x i t y o f t h e T B C C s y s t e m i s e l i m i n a t e

t h e R B C C , p r o v i d i n g a f u r t h e r a d v a n t a g e . A n o t h e r p o s s i b i l i t y i s a c o m b i n e d s y s t e m t h a t u s e s b o t h e n

s y s t e m s : a T B C C s y s t e m f o r a s c e n t t o a m i d - s u p e r s o n i c s t a g i n g p o i n t , f o l l o w e d b y a n R B C C p u r e r a

m o d e c l i m b t o t h i n a i r , a n d n a l l y t h e R B C C e j e c t o r m o d e a n d p u r e - r o c k e t m o d e s p a c e e n t r y .

A n a s c e n t p r o l e f o r a n e x a m p l e e x t e n d e d l a u n c h c o n d i t i o n u s i n g t h e M A 1 3 9 - X A A e n g i n e s i s s h o w

F i g u r e 8 . T h i s e x t e n d e d l a u n c h c o n d i t i o n d o e s n o t e x c e e d t h e k n o w n d y n a m i c p r e s s u r e l i m i t o f 5 0 0 K E

( a p p r o x i m a t e l y 8 5 0 p s f ) o f t h e S R - 7 1 .

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

Machnumber

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10x 10

4

Geodeticaltitude,

ft

Mach

Alt

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3x 10

5

Netthrust,lbf

0

500

1000

1500

2000

Specificimpulse,

lbfs/lbm

Thrust

Isp


14/43

T h r u s t , l b f Isp , l b f - s / l b m B u r n t i m e , s

F i r s t s t a g e 8 4 1 0 0 3 0 0 1 6 9

S e c o n d s t a g e 6 6 0 0 3 1 4 4 1 8

T a b l e 3 . N o r m a l i z e d F a l c o n - 1 P O S T I I s i m u l a t i o n p a r a m e t e r s f o r a 3 4 1 - n m c i r c u l a r o r b i t a t 9 . 1 d e g i n c l i n a t

g r o s s l i f t o w e i g h t 6 1 , 0 0 0 l b m , a n d d e l i v e r e d p a y l o a d 3 1 2 l b m .

T h e F a l c o n - 1 c a l i b r a t e d , t h e i n s e r t i o n p a r a m e t e r s w e r e c h a n g e d t o a s t a n d a r d 1 0 0 - b y 1 0 0 - n m o r b i t a t

d e g i n c l i n a t i o n . T h e F a l c o n s y s t e m P O S T I I s i m u l a t i o n d e l i v e r e d a p p r o x i m a t e l y 7 6 3 l b t o t h e s t a n d a r d

r e f e r e n c e o r b i t ; t h i s i s a l s o c o n s i s t e n t w i t h p e r f o r m a n c e p r e d i c t i o n s i n t h e S p a c e - X F a l c o n - 1 U s e r ' s G u

T h e t r a j e c t o r i e s f o r t h e F a l c o n - 1 s i m u l a t i o n i n P O S T I I a r e s h o w n i n F i g u r e 9 .

0

1

2

3

x 106

Altitude,

ft

Calibrated Direct Burn

Normalized (100 nm)

0

1

2

3x 10

4

Velocity,

ft/s

10x 10

4

,lbm


15/43

W e i g h t

c l a s s , l b m

F i r s t - s t a g e

w e i g h t , l b m


t h r u s t , l b f

S e c o n d - s t a g e

w e i g h t , l b m


t h r u s t , l b f

P a y l o a

o r b i t ,

5 0 0 0 4 1 1 7 1 6 6 5 0 7 1 1 2 8 4 3 2 1

1 0 0 0 0 8 2 3 3 3 3 3 0 0 1 4 2 1 5 6 8 6 4 3

1 5 0 0 0 1 2 3 5 0 4 9 9 5 0 2 1 3 2 8 5 2 8 6 5

2 0 0 0 0 1 6 4 6 7 6 6 5 0 0 2 8 4 3 1 1 3 7 1 8 8

2 5 0 0 0 2 0 5 8 3 8 3 2 5 0 3 5 5 3 1 4 2 1 4 1 0 9

3 0 0 0 0 2 4 7 0 0 9 9 9 0 0 4 2 6 4 1 7 0 5 7 1 3 3

T a b l e 4 . P a y l o a d d e l i v e r e d t o a 1 0 0 - n m c i r c u l a r o r b i t b y a g e n e r i c t w o - s t a g e s o l i d r o c k e t s y s t e m f r o m a l a u

p o i n t o f M a c h 3 . 0 a t a n a l t i t u d e o f 7 0 , 0 0 0 f t .

W e i g h t

c l a s s , l b m


w e i g h t , l b m

F i r s t - s t a g e ,

t h r u s t , l b f


w e i g h t , l b m


t h r u s t , l b f

P a y l o a

o r b i t ,

O r i o n 5 0 X L + S t a r 2 0

1 0 2 1 4 9 5 5 1 3 4 5 0 0 6 6 3 6 1 0 0 3 5

O r i o n 5 0 X L + 3 X S t a r 2 0 s

1 1 5 4 0 9 5 5 1 3 4 5 0 0 1 9 8 9 6 1 0 0 5 2

T a b l e 5 . P a y l o a d d e l i v e r e d t o a 1 0 0 - n m c i r c u l a r o r b i t b y a c o m m e r c i a l l y - c o m p o s e d t w o - s t a g e s o l i d r o

s y s t e m f r o m a l a u n c h p o i n t o f M a c h 3 . 0 a t a n a l t i t u d e 7 0 , 0 0 0 f t .

3 . U p p e r - S t a g e L O X / R P R o c k e t f r o m A i r C a r r i e r


16/43

W e i g h t c l a s s ,

l b m


w e i g h t , l b m


t h r u s t , l b f


w e i g h t , l b m


t h r u s t , l b f

P a y l o a d t o

o r b i t , l b m

1 0 0 0 0 8 3 5 0 3 3 3 0 0 1 1 9 6 4 7 8 6 6 1 9

2 0 0 0 0 1 6 7 0 0 6 6 7 0 0 2 2 9 3 9 5 7 2 1 3 2 9

3 0 0 0 0 2 5 0 5 0 9 9 9 0 0 3 5 8 9 1 4 3 5 8 2 0 0 6

T a b l e 7 . P a y l o a d d e l i v e r e d t o a 1 0 0 - n m c i r c u l a r o r b i t b y a g e n e r i c t w o - s t a g e l i q u i d - f u e l e d r o c k e t s y s t e m f

t h e s i m u l a t e d r o c k e t - b a s e d c o m b i n e d - c y c l e ( R B C C ) e x t e n d e d l a u n c h p o i n t o f M a c h 4 . 2 5 a t a n a l t i t u d

8 0 , 0 0 0 f t , s e l e c t e d t o t a k e a d v a n t a g e o f t h e e x t e n d e d M a c h n u m b e r c a p a b i l i t y o f t h e R B C C .

I V . R e s e a r c h a n d D e v e l o p m e n t P a t h w a y

T h e k e y t o a d v a n c i n g R B C C a n d T B C C t e c h n o l o g y t o t h e l e v e l a c c e p t a b l e f o r a c c e s s - t o - s p a c e a p p l i c a t

i s t h e a c q u i s i t i o n o f h i g h - q u a l i t y , r e l e v a n t , a n d , t o t h e g r e a t e s t d e g r e e p o s s i b l e , c o m p r e h e n s i v e i g h t d

M o d e l d e l i t y m a y b e i m p r o v e d b y w a y o f v a r i o u s t h e o r e t i c a l m e a n s , b u t i g h t i s t h e o n l y a e r o n a u t i c a l r e a

P a r a m e t r i c c y c l e a n a l y s i s , c o m p u t a t i o n a l u i d d y n a m i c s , a n d o t h e r f o r m s o f m o d e l i n g m u s t b e v a l i d a t e

c o m p a r i s o n t o i g h t , s u c h t h a t t h e y m a y b e u s e d w i t h c o n d e n c e i n t h e d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t o f t o m o r r

a i r b r e a t h i n g a c c e s s - t o - s p a c e s y s t e m s . T h e v a l u e o f i g h t g o e s b e y o n d m e r e l y v a l i d a t i n g a n e x i s t i n g m o

i t i s l i m i t i n g t o c o n s i d e r v a l i d a t i o n a s t h e o n l y p u r p o s e o f i g h t r e s e a r c h . I n d e e d , t h e t e r m i g h t r e s e a

( a s o p p o s e d t o i g h t t e s t ) i m p l i e s a n a c t i v e p r o c e s s o f e x p l o r a t i o n : t e c h n i c a l h u r d l e s a r e m e a s u r e d

a n a l y z e d , c r e a t i v e s o l u t i o n s a r e h y p o t h e s i z e d a n d t e s t e d , a n d t h e p r o c e s s i s a d j u s t e d a n d t h e n r e p e a t e

t h e q u e s t f o r u n d e r s t a n d i n g o f n e w p h e n o m e n a .

A . P a s t a n d P r e s e n t F l i g h t R e s e a r c h E o r t s


17/43

F i g u r e 1 0 . A N A S A D r y e n F l i g h t R e s e a r c h C e n t e r F - 1 5 B s h o w n i n i g h t w i t h t h e R a k e A i r o w G a g e E x

i m e n t a t t a c h e d t o t h e P r o p u l s i o n F l i g h t T e s t F i x t u r e .

s e a r c h t o r e a c h a r e a d i n e s s l e v e l a p p r o p r i a t e f o r a n o p e r a t i o n a l v e h i c l e p o w e r e d b y c o m b i n e d - c y c l e e n g


18/43

T o d a y , j u s t o v e r a d e c a d e l a t e r , t h e X - 3 4 v e h i c l e s w e r e r e c e n t l y t o w e d f r o m s t o r a g e a t E d w a r d s A i r F

B a s e ( E d w a r d s , C a l i f o r n i a ) f o r e v a l u a t i o n a s p o t e n t i a l s u b o r b i t a l r e s e a r c h a n d t e s t v e h i c l e s . I f t h e X

v e h i c l e s t h e m s e l v e s c a n n o t b e u s e d , t h e y c a n s e r v e a s u s e f u l e x a m p l e s o f e x i s t i n g s y s t e m s t h a t c o u l d

a d a p t e d f o r t h e p u r p o s e o f b r i n g i n g s p e c i c c o m b i n e d - c y c l e e n g i n e t e c h n o l o g i e s t o i g h t r e s e a r c h .

C . C o n c l u d i n g R e m a r k s

N o m a t t e r t h e s p e c i c s t e p s , t h e g e n e r a l p r i n c i p l e s h o u l d h o l d t h a t t h e f a s t e s t a n d m o s t e e c t i v e p

w a y t o i g h t r e s e a r c h f o r a p a r t i c u l a r t e c h n o l o g y i s t o r e f r a i n f r o m i n c o r p o r a t i n g a s m a n y u n k n o w n

u n p r o v e n s y s t e m s a s p o s s i b l e . T h e l e a p t o f u l l y - i n t e g r a t e d , c o m p l e t e l y n e w s y s t e m s m a y a p p e a r t o y

m o r e a d v a n c e m e n t a t a f a s t e r r a t e ; h o w e v e r , s y s t e m s s u c h a s t h e s e h a v e b e e n s h o w n t o a p p r o a c h p r o h i b

t e c h n i c a l a n d b u d g e t a r y c o m p l e x i t y v e r y r a p i d l y . S i m p l e r s y s t e m s w i t h m o r e m o d e s t g o a l s o f a d v a n

s p e c i c t e c h n o l o g i e s , s u c h a s c o m b i n e d - c y c l e e n g i n e s , w o u l d p e r h a p s l e a d t o m o r e p r a c t i c a l i g h t r e s e

o b j e c t i v e s w h i l e s t i l l r e t a i n i n g t h e c a p a b i l i t y t o a d v a n c e i n n o v a t i o n s i n t h e e l d i n a s p i r a l o f t e c h n o l o g

d e v e l o p m e n t .

T h i s p a p e r h a s d e s c r i b e d t h e d e v e l o p m e n t o f e n g i n e m o d e l s a n d a s c e n t t r a j e c t o r i e s t h a t d e m o n s t r a t e

e x i s t i n g s y s t e m s ( i n f a c t , s y s t e m s t h a t h a v e e x i s t e d f o r a s l o n g a s v e d e c a d e s ) a r e a t l e a s t n o m i n a l l y c a p

o f p r o v i d i n g a i r b r e a t h i n g s p a c e a c c e s s f o r p r a c t i c a l p a y l o a d s i z e s . T u r b i n e - b a s e d c o m b i n e d - c y c l e ( T B

e n g i n e s a r e i g h t - p r o v e n i n l e g a c y a n d m o d e r n s y s t e m s , a n d r o c k e t - b a s e d c o m b i n e d - c y c l e ( R B C C ) e n g

h a v e b e e n f u l l y g r o u n d - t e s t e d a n d m e r e l y a w a i t i g h t r e s e a r c h t o b r i n g t h e m t o t h e n e x t l e v e l o f t e c h n o

r e a d i n e s s . I n n o v a t i o n s g a r n e r e d f r o m i g h t r e s e a r c h o f b o t h T B C C a n d R B C C e n g i n e s w i l l e n a b l e f u r

a d v a n c e m e n t i n g a m e - c h a n g i n g , a i r b r e a t h i n g , a n d h o r i z o n t a l - l a u n c h s p a c e - a c c e s s c o n c e p t s .


19/43

18L o c k h e e d A i r c r a f t C o r p o r a t i o n , H a n d l i n g Q u a l i t i e s o f t h e S R - 7 1 , A d v a n c e d D e v e l o p m e n t P r o j e c t s , R e

S P - 5 0 8 , 1 9 6 4 .

19 S R - 7 1 A F l i g h t M a n u a l , S e c t i o n 2 , " N o r m a l P r o c e d u r e s " , T . O . S R - 7 1 A - 1 , 1 9 8 9 .

20T o t t e n , J . , F i n a l S u m m a r y T e c h n i c a l R e p o r t o n t h e C a l e n d a r Y e a r 1 9 6 3 R a m j e t T e c h n o l o g y P r o g r a m ,

I I , M a r q u a r d t C o r p o r a t i o n , R e p o r t N o . 2 5 , 1 1 6 , 1 9 6 4 .

21K l a n n , J . L . a n d S n y d e r , C . A . , N E P P P r o g r a m m e r s M a n u a l ( N A S A E n g i n e P e r f o r m a n c e P r o g r a m ) , V o l

1 . T e c h n i c a l D e s c r i p t i o n , N A S A T e c h n i c a l M e m o r a n d u m 1 0 6 5 7 5 , 1 9 9 4 , a v a i l a b l e f r o m t h e A e r o s p a c e A n a

O c e , L e w i s R e s e a r c h C e n t e r , C l e v e l a n d O h i o .

22P r a t t & W h i t n e y A i r c r a f t , I n s t a l l a t i o n H a n d b o o k J T 1 1 - J 5 8 H i g h - M a c h - N u m b e r T u r b o j e t E n g i n e , J

1 9 5 9 .

23M e y e r , J . , M c M a s t e r , J . , a n d M o o d y , R . , H a n d l i n g Q u a l i t i e s o f t h e S R - 7 1 ( R e v i s e d ) , L o c k h e e d A i r c

C o r p o r a t i o n S P - 5 0 8 , 1 9 7 8 .

24C o r d a , S . , M o e s , T . R . , M i z u k a m i , M . , H a s s , N . E . , J o n e s , D . , M o n a g h a n , R . C . , R a y , R . J . , J a r v i s , M

a n d P a l u m b o , N . , T h e S R - 7 1 T e s t B e d A i r c r a f t : A F a c i l i t y f o r H i g h - S p e e d F l i g h t R e s e a r c h , N A S A /

2 0 0 0 - 2 0 9 0 2 3 , 2 0 0 0 .

25S p a c e E x p l o r a t i o n T e c h n o l o g i e s , F a l c o n 1 L a u n c h V e h i c l e P a y l o a d U s e r ' s G u i d e , R e v i s i o n 7 .

26 O l d s , J . R . , B r a d f o r d , J . E . , C h a r a n i a , A . , L e d s i n g e r , L . , M c C o r m i c k , D . , a n d S o r e n s o n , K . , H y p e r i o n :

S S T O V i s i o n V e h i c l e C o n c e p t U t i l i z i n g R o c k e t - B a s e d C o m b i n e d - C y c l e P r o p u l s i o n , A I A A 9 9 - 4 9 4 4 , 1 9 9 9

27R u t o w s k i , E . S . , E n e r g y A p p r o a c h t o t h e G e n e r a l A i r c r a f t P e r f o r m a n c e P r o b l e m , J o u r n a l o f t h e A

n a u t i c a l S c i e n c e s , , N o . 2 1 , 1 9 5 4 , p p . 1 8 7 1 9 5 .

28R e d i n , P . , O p t i m i z a t i o n o f T r a n s o n i c A c c e l e r a t i o n P e r f o r m a n c e f o r t h e Y F - 1 2 C A i r p l a n e U s i n g t h e C l

D i v e M a n e u v e r , N A S A T M - X - 2 6 9 4 , 1 9 7 9 .

29H u m b l e , R . W . , H e n r y , G . N . , a n d L a r s o n , W . J . , S p a c e P r o p u l s i o n A n a l y s i s a n d D e s i g n , T h e M c G r a w

C o m p a n i e s , I n c , 1 9 9 5 .

30K l o e s e l , K . J . , P i c k r e l , J . B . , S a y l e s , E . L . , W r i g h t , M . , M a r r i o t t , D . , H o l l a n d , L . , a n d K u z n e t s o v , S . , F

S t a g e o f a H i g h l y R e l i a b l e R e u s a b l e L a u n c h S y s t e m , A I A A 2 0 0 9 - 6 8 0 5 , 2 0 0 9 .

31C o r d a , S . , V a c h o n , M . , P a l u m b o , N . , D i e b l e r , C . , T s e n g , T . , G i n n , A . , a n d R i c h w i n e , D . , T h e F -

P r o p u l s i o n F l i g h t T e s t F i x t u r e : A N e w F l i g h t F a c i l i t y f o r P r o p u l s i o n R e s e a r c h , A I A A 2 0 0 1 - 3 3 0 3 , 2 0 0 1 .

32V a c h o n , M . J . , M o e s , T . R . , a n d C o r d a , S . , L o c a l F l o w C o n d i t i o n s f o r P r o p u l s i o n E x p e r i m e n t s o n

N A S A F - 1 5 B P r o p u l s i o n F l i g h t T e s t F i x t u r e , N A S A / T M - 2 0 0 5 - 2 1 3 6 7 0 , 2 0 0 5 .

33F l y n n , D . C . , R a t n a y a k e , N . A . , a n d F r e d e r i c k , M . , D e s i g n a n d C a l i b r a t i o n o f a F l o w e l d S u r v e y R a k e


20/43

A Technology Pathway for Airbreathing,

Combined-Cycle, Horizontal Space Launch

Through

SR-71 Based Trajectory Modeling

Kurt J. Kloesel, Nalin A. Ratnayake, and Casie M. Clark

NASA Dryden Flight Research Center, Edwards AFB,

California, 93523


21/43

Quesons?

Hugh L. Dryden Separate the real from theimagined

Modern day expression- Flight is the only Truth! Questions?


22/43

Air-BreathingAccesstoSpaceTheHolyGrailofAeronaucs


23/43

CommercializaonofSpace

Currentmovementtowardscommercializaon X-15+40years=WhiteKnight Mercury-Atlas+40years=SpaceXFALCON SR-71+?years=operaonalsupersonicair-breathingaccess-to-spaceinfrastructure

+40yrs=+40yrs=

?yrs=

Observaon:Useexis

technology/vehiclesystalreadydevelopedand


24/43

EconomicRealityofAirBreathingSpaceAccess

Observaon:Newenginedevelopmentisvery

expensive,thedevelopmentofanew,highmachnumberair-breathingcarrierwouldbeenormously

RandCorp.StudyonMilitaryJetAcquision


25/43

Examines the technical performance aspects of thecommercialization of an air-breathing booster stage

Performance comparison between air breathingbooster system and LOX-RP all rocket system

AnalysisObjecves


26/43

J-58/JT11D-20APerformance32,000lbfofaerburningthrustatSTPdryweightof6,000lbthrust-to-weightraoof5.3:1.

F100-PW-229Performance29,160lbfofaerburningthrustatSTPdryweightof3,740lbthrust-to-weightraoof7.8:1

Turbojets:50yearsofimprovements


27/43

Engines:DecadesofTechnologicalImprovement

Observaon:Considerusingexisngtechnology.

ManypiecesoftheJ-58technologycannowbeeasilysupplantedwiththe

resultsofthepast40to50yearsof

enginetechnologicalevoluon,suchas

digitalenginecontrollerstoreplace

hydromechanicalcontrolsystems.

TheJ-58enginefortheSR-71wasainnovavemarvelforitsme

(1950-1960s),usingthemostextremematerialsavailableduring

thatmeperiod.Aer50yearsoftechnologicaldevelopmentin

materialsresearch,however,thefailuretemperatureandfailure

strengthofacommoncommercialormilitaryjetenginecannow

meetalargeporonoftheperformanceoperaonenvelope

(thrust,weight,fuelconsumpon)oftheJ-58engine.Muchof

themechanicalhardwarecannowbereplacedwithmuchlighter

electroniccomponents,ordoneawaywithenrely.


28/43

Trajectory modeling was performed according to the following criteria:

The first-stage airbreathing trajectories were performed separately from the rocket ascent-torbit stages

All first-stage airbreathing trajectory modeling in OTIS was performed with the OTIS 4.0.(build 545), SNOPT Version 7.2-5 optimizer ON

All first-stage airbreathing trajectory modeling in POST II was performed with POST II Ve

1.1.6.G, dated 12/15/04 with the optimizer OFF

All rocket ascent-to-orbit trajectory modeling was performed in POST II Version 1.1.6.G,projected gradient method, with the optimizer ON.

MissionTrajectoriesandPerformance


29/43

SR-71+LASREModelPerformanceCalibraon


30/43

SR-71PerformanceModeling


31/43

BaselineLOX/RPAllRockettoLEOPerformanc

TheFalcon-1systemwasmodeledaertheRatSatlaunchthatoccurredonSeptember28,2008.Thesecondstageuses

RPandissolelyapressure-fedsystemwithnoturbo-pump.ThesystemwasmodeledinPOSTIIandseveralfactorswereadjustedtoobtainaperformancethatwassimilartotheperformancestatedintheSpace-XFalcon-1User'sGuide.

TheFalcon-1calibrated,theinseronparameterswerechangedtoastandard100

100-nmorbitat28.5deginclinaon.TheFalconsystemPOSTIIsimulaondelive

approximately763lbtothestandardizedreferenceorbit;thisisalsoconsistentw

f di i th S X F l 1 U ' G id


32/43

RBCC PerformanceMA139-XAAengine,Ejectorramjet80,000lbf@STPliquidoxygen&rocket

propellant(LOX/RP)primary(rocket)combustors,hydrocarbonfuelaerburner.

Aclusterof24regeneravely-cooledLOX/RProcketsformstheprimarysystem,eachwith2,960lbfofthrustatstandard

condions.Hydrocarboninjectorsareusedfortheaerburner,whichisdownstreamofthemixingchamber.Eachenginew

5,300lbmandgenerates80,000lbfofsealevelstacthrust(whereaugmentaonisleasteffecve).Ground-testdataare

availableforanumberofdifferentequivalenceraos,secondary-to-primaryflowraos,mixerinletMachnumbers,andflig

Machnumbers,eachforvariouspropellantcombinaons.Theenginedatausedinthepresentstudywereforprimarychampressureof600psia,theprimaryandaerburnercombusonchambersatstoichiometricequivalencerao,andprimarya

aerburnerchambersoperangat0.95efficiency.

MarquardtMA139-XAAEjectorRamjet


33/43

GE-CATEjectorRamjetEngineModeling


34/43

Rocket-BasedCombinedCycletoSR-71CruiseCondion


35/43

Rocket-BasedCombinedCycletoExtendedLaunchCond


36/43

SR-71 + LASRE cruise condition

Mach 3.070,000 ftRBCC Extended Conditions

Mach 4.580,000 ft

BoosterStaging/SeparaonPoint


37/43

SolidRocketUpperStagePerformance


38/43

LOX/RPUpperStagePerformance


39/43

ROMEquivalency

SR-71 = 140000 lbs GLOW/ ~750 lbs LEOFalcon 1 = 61000 lbs GTOW/~750 lbs LEO Dry Weights:

SR-71 ~60,000 lbs + 2nd stage inertFalcon 1 ~ 4520 lbs

Future Studies:What is the operational business case for a flyback booste

Can a modern day Mach 3 booster system be designed forless than 60Klbs?


40/43

ThePathwaytoFlight-TesngCombined-CycleEngin

ResearchwillsupportthethreefurtherobjecvesofJointTechnologyOffice(JTO)onHypersonics.-abilitytorapidlyandaccuratelysimulatevariable-Machairflowusingvariablegeometricstructuresto

constrictorexpandtheairflowinresponsetotesngrequirements

abilit to rapidl and a ratel sim late airflo transients to assess impa t on aerod nami s and

TheDuctedRocketEXperiment,orD-REX.TheD-REXprojectwillexploreflow

dynamicsrelatedtoramjetejectormodeoperaon.


41/43

Flight-TesngCombined-CycleEngines

CombinedCyclePropulsionWorkatNASADrydenFlightResearchCenter:

NASAF-15BPropulsionFlightTestFixture(PFTF)

2000lbfsix-degree-of-freedominstrumentedforcebalance,in-flightmeasurementCompletedRakeAirflowGageExperiment(RAGE)

ascertain local flow Mach number and flow angularity underneath the F-15B


42/43

Quesons?

Hugh L. Dryden Separate the real from theimagined

Modern day expression- Flight is the only Truth! Questions?

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43/43

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Documents

Sr 71 Propulsion