home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Suzy B Software 2 / Suzy B Software CD-ROM 2 (1994).iso / nasa / dcx_stan / dcx_stan.d < prev   
Encoding:
Text File  |  1995-05-02  |  15.3 KB  |  269 lines

  1. Spaceport RT  RSEVERY [Randall]   Thu Mar 18, 1993
  2.  
  3.  Newsgroups: sci.space
  4.  From: aws@iti.org (Allen W. Sherzer)
  5.  Subject: SSTO: A Spaceship for the rest of us
  6.  Organization: Evil Geniuses for a Better Tomorrow
  7.  Date: Wed, 17 Mar 1993 21:45:22 GMT
  8.  
  9.  
  10.  [First of two papers on SSTO. This is also the draft NSS position
  11.    paper on SSTO]
  12.  
  13.  
  14.                              SSTO
  15.                 A Spaceship for the Rest of US
  16.  
  17. Introduction
  18.   Space is an important and growing segment of the U.S. economy.  The U.S.
  19. space market is currently over $5 billion per year, and growing. U.S.
  20. satellites, and to a lesser degree U.S. launch services, are used throughout
  21. the world and are one of the bright stars in the U.S. balance of trade.
  22.  
  23.   The future is even brighter.  The space environment promises new
  24. developments in materials, drugs, energy, and resources, which will open up
  25. whole new industries for the United States.  This will translate into new
  26. jobs and higher standards of living not only for Americans but for the rest
  27. of the world's people.
  28.  
  29.   Standing between us and these new industries is the obstacle presented by
  30. the high cost of putting people and payloads into space.  This paper
  31. addresses the reasons why access to space is so expensive and how those
  32. costs might be reduced by looking at the problem in a different way.
  33.  
  34.   Finally, this paper will describe a radical new spacecraft currently under
  35. development.  Called Single Stage to Orbit (SSTO), it promises to greatly
  36. reduce costs and increase flexibility.
  37.  
  38. Access to Space: Expensive and Dangerous
  39.   Access to space today is very expensive, complex, and dangerous With U.S.
  40. expendable launchers like Atlas, Delta, and Titan, it generally costs about
  41. $3,000 to $8,000 to put a pound of payload into low Earth orbit (LEO).  In
  42. addition, U.S. expendables require extensive ground infrastructure to do
  43. final assembly and payload integration and complex launch facilities to
  44. actually launch the rocket.  Finally, despite all the extra care and effort,
  45. they don't work very well and even the best launchers fail about 3% of the
  46. time (would you go to work tomorrow if there was a 3% chance of your car
  47. exploding?).
  48.  
  49.   Even the U.S. Space Shuttle, which was supposed to give the U.S. routine
  50. low cost access to space, has failed.  A Shuttle flight costs about $500
  51. million (roughly $10,000 per pound to LEO).  Even going full out, NASA can
  52. only launch each  Shuttle about twice a year (for a total of eight flights).
  53.  
  54.   The effects of these high costs go deeper than the price tag for the
  55. launches themselves.  Space equipment is much more expensive than comparable
  56. equipment meant for use on Earth, even when tasks are similar and the
  57. Earthly environments are harsh.  The difference is that space equipment must
  58. be as lightweight as humanly possible and must be as close as humanly
  59. possible to 100% reliability.  Both of these extra requirements are
  60. ultimately problems of access to space: if every extra pound costs thousands
  61. of dollars, and replacing or repairing a failed satellite is impossibly
  62. expensive, then efforts to reduce weight and improve reliability make sense.
  63. Unfortunately, they also greatly increase price.
  64.  
  65.   With equipment so expensive, obviously building extra copies is costly,
  66. and launching them is even worse.  This encourages space projects to try to
  67. get by with as few satellites as possible.  Alas, this can backfire: when
  68. something does go wrong, there isn't any safety margin...as witness the
  69. U.S.'s shortage of weather satellites at this time.  Expensive access to
  70. space not only produces costly projects, it produces fragile projects that
  71. assume no failures, because safety margins are too expensive.  Lamentably,
  72. failures do happen.
  73.  
  74.   Finally, although research in space holds great promise for new scientific
  75. discoveries and new industries, it is progressing at a snail's pace, and
  76. companies and researchers often lose interest early.  Why?  Because
  77. effective research requires better access to space.  Scientific discoveries
  78. seldom come as the result of single experiments: even when a single
  79. experiment is crucial, typically there is a long series of experiments
  80. leading up to it and following through on it.  And getting the "bugs" out of
  81. a new industrial process almost always requires a lot of testing.  But how
  82. can such work be done if you only get to fly one experiment every five
  83. years?  Good researchers and innovative companies often decide that it's
  84. better to avoid space research, because it costs too much and takes too
  85. long.  The ones who haven't abandoned space research are looking hard at
  86. buying flights on Russian or Chinese spacecraft: despite technical and
  87. political obstacles, they can fly their experiments more often that way.
  88.  
  89.   People excuse this because it has always been this way and so probably
  90. always will be (after all, this is rocket science).  But there are a lot of
  91. reasons to think that it needn't be so complex and expensive.
  92.  
  93.   Spacecraft are complex, expensive, and built to aerospace tolerances but
  94. they are not the only products of that nature we use.  A typical airliner
  95. costs about the same as a typical launcher.  It has a similar number of
  96. parts and is built to similar tolerances.  The amount of fuel a launcher
  97. burns to reach orbit is about the same as an airliner burns to go from North
  98. America to Ausralia.  Looked at this way, it would seem that the cost of
  99. getting into orbit should be much closer to the $1500 it takes to get to
  100. Australia than to the $500 million dollars plus it takes to put an astronaut
  101. up.
  102.  
  103.   Why the differences in cost?  Largely they are due to different solutions
  104. to the same problems.  Some of these differences are:
  105.  
  106.  1.  Throw away hardware.  A typical expendable launch vehicle costs
  107. anywhere from $50 to $200 million to build (about the cost of a typical
  108. airliner) yet it is used  one time and then thrown away.  Even the
  109. 'reusable' Space Shuttle throws away most of its weight in the form of an
  110. expendable external tank and salvageable solid rocket motors.  This is the
  111. single biggest factor in making access to space expensive.
  112.  
  113.   Airlines use reusable hardware and fly their aircraft several times every
  114. day.  This allows them to amortize the cost of the aircraft over literally
  115. thousands of passenger flights.  The entire Shuttle fleet flies only eight
  116. times a year, while many airliners fly more than eight times per day.
  117.  
  118.  2.  Redundant Hardware and Checks.  Since expendable launchers are used one
  119. time and then thrown away, they cannot be test-flown; huge amounts of effort
  120. therefore go into making sure they will work correctly.  Since the payloads
  121. they launch are typically far more expensive than the launcher (a typical
  122. communication satellite can cost three times the cost of the launcher)
  123. millions can be and are spent on every launch to obtain very small increases
  124. in reliability.  This is well beyond the point of diminishing returns and
  125. sometimes results in greater harm.  For example, a couple of years ago a
  126. Shuttle Orbiter was almost damaged when it was rotated from horizontal to
  127. vertical with a loose work-platform support still in its engine compartment.
  128. The support should have been removed beforehand...and three signatures said
  129. it had been.
  130.  
  131.   Airliners, since they are reusable and can also be tested before use, thus
  132. are able to be built to more relaxed standards without sacrificing safety. 
  133. The exact same aircraft flew to get to your airport and it is likely that
  134. any failure would already have been noticed.  In addition, aircraft are
  135. built with redundancy so they can survive malfunctions; launchers usually
  136. are not.  Most in-flight failures of airliners result, at most, in delays
  137. and inconvenience for the passengers; most in-flight failures of launchers
  138. result in complete loss of launcher and payload.
  139.  
  140.  3.  Pushing the Envelope on Hardware.  Current launchers tend to use
  141. hardware that is run all the time at the outside limit of its capability. 
  142. This may be fine for expendable launchers which are used one time and don't
  143. need to be repaired for reuse.  But this has also tended to carry over to
  144. the Shuttle which, for example, operates its main engines at around 100% of
  145. its rated thrust (this is like driving your car 55 MPH in first gear all the
  146. time).  Because the hardware is used to its limit every time, it needs
  147. extensive checkout after every flight and frequent repair.
  148.  
  149.   Airliners tend to be much more conservative in their use of hardware. 
  150. Engines are used at far less than their full rated thrust and airframes are
  151. stressed for greater loads then they ever see.  This results in less wear
  152. and tear which means they work with greater reliability and fewer repairs.
  153.  
  154.  4.  Labor Requirements.  For all of the reasons given above, existing
  155. launchers require vast amounts of human labor to fly.  The efforts of about
  156. 6,000 people are needed to keep the Shuttle flying.  This represents a huge
  157. expense and is amortized only over eight or so Shuttle flights every year.
  158.  
  159.   Airliners are far more streamlined and, for the reasons given above, don't
  160. need nearly as many people.  A typical airliner only has 150 people
  161. supporting it, including baggage handlers, flight crews, ticketing people,
  162. and administration.  Since the cost of those 150 people are amortized over
  163. thousands of flights per year, the cost per flight is very low.
  164.  
  165.   Our current  launchers are expensive and complex vehicles. Yet the fact
  166. that we routinely use vehicles with similar cost and complexity for far less
  167. cost indicate that the causes of high launch costs lie elsewhere.  If we
  168. looked at the problem in a different way, we could try to build launchers
  169. the same way Boeing builds airliners.  The next section will describe just
  170. such a launcher and how it is being built.
  171.  
  172.   A Spaceship that Runs Like an Airliner: SSTO For a long time, some
  173. launcher designers have realized that designing launchers the way airliners
  174. are designed would result in lower costs.  Several designs have been
  175. proposed over the years and they are generally referred to as Single Stage
  176. to Orbit (SSTO) launchers.
  177.  
  178.  1.  Single Stage to Orbit (SSTO).  Unlike an existing launcher which has
  179. multiple stages, a SSTO launcher has only one stage.  This results in far
  180. lower operational costs and are key to reusability.  Conventional launchers
  181. need expensive assembly buildings to stack the stages together before going
  182. to the launch pad.  An SSTO only has one stage, so these facilities are not
  183. needed.  This means that the only infrastructure needed to launch a SSTO is
  184. a concrete pad and a fuel truck.
  185.  
  186.  2.  Built for Ease of Use.  SSTO vehicles are built to be operated like
  187. airliners.  They can fly multiple times with no other maintenance needed
  188. other than refueling.  If a problem is discovered, all components can be
  189. accessed with ease (by design).  The defective Line Replaceable Unit (LRU)
  190. is replaced and launch can occur with only a short delay.  If the problem is
  191. more complex or other maintenance is needed, the SSTO is towed to a hanger
  192. where the easy accessibility of parts insures rapid turnaround.
  193.  
  194.  3.  Standard Payload Interface.  Payloads need access to services like
  195. power, cooling, life support, etc., while waiting for launch.  The
  196. interfaces which provide these services are not standardized, adding cost
  197. and complexity to existing launchers.  In effect, part of the launcher must
  198. be redesigned for each and every launch.  SSTOs, however, would be designed
  199. with standard payload interfaces.  This allows payload integration to occur
  200. hours before launch instead of weeks before launch.  (Although in all
  201. fairness, the makers of expendable launchers are also slowly moving in this
  202. direction).
  203.  
  204.  4.  Built to be tested.  Unlike expendables, SSTO vehicles do not have to
  205. be perfect the first time.  Like airliners, they can survive most failures. 
  206. Like airliners, they can be tested again and again to find and fix problems
  207. before real payloads and passengers are entrusted to them.  Even when a
  208. failure does occur with a real payload aboard, usually neither the vehicle
  209. nor the payload will be lost.  The reliability of SSTO vehicles should be
  210. close to that of airliners -- a loss rate of essentially zero -- and far
  211. better than the 3% loss rate of existing launchers.
  212.  
  213.  
  214. SDIO Single Stage Rocket Technology Program
  215.   Recent advances in engine technology and materials have made most critics
  216. believe that the technology is now available to build a SSTO.  In 1989, SDIO
  217. recognized the potential of this approach and commissioned a study to assess
  218. its risk.  The study concluded that a SSTO vehicle is possible today.  As a
  219. result of this study, SDIO initiated the Single Stage Rocket Technology
  220. Program  (SSRT).  The goal of the three phase SSRT program is to build a
  221. SSTO, thus providing routine cheap access to space.
  222.  
  223.   Phase I consisted of four study contracts to develop a baseline design for
  224. a SSTO.  General Dynamics and McDonnell Douglas proposed vehicles which both
  225. take off and land vertically (like a helicopter).  Rockwell proposed a
  226. vehicle which takes off vertically but lands horizontally (like the Space
  227. Shuttle does today).  Finally, Boeing proposed a vehicle which both takes
  228. off and lands horizontally (like a conventional aircraft).
  229.  
  230.   In August 1991, SDIO selected the McDonnell Douglas vehicle (dubbed Delta
  231. Clipper) for Phase II development, and contracted for the construction of a
  232. 1/3 scale prototype vehicle called DC-X.  This prototype is currently under
  233. development and should begin flying in April, 1993.
  234.  
  235.   DC-X will provide little science data but a wealth of engineering data.
  236. It will validate the basic concepts of SSTO vehicles and demonstrate the
  237. ground and maintenance procedures critical to any successful orbital
  238. vehicle.
  239.  
  240.   Phase III of the program will develop a full scale prototype vehicle
  241. called DC-Y.  DC-Y will reach orbit with a substantial payload, hoped to be
  242. close to 20,000 lbs,  and demonstrate total reusability.  In addition,
  243. McDonnell Douglas will begin working with the government to develop
  244. procedures to certify Delta Clipper like an airliner so it can be operated
  245. in a similar manner.
  246.  
  247.   Phase III was scheduled to begin in September of 1993 but SDIO will not be
  248. able to fund the Phase III vehicle.  There is some interest in parts of the
  249. Air Force and it is hoped that they will fund DC-Y development.  It will be
  250. a great loss for America if they do not.
  251.  
  252.   After Phase III, it will be time to develop an operational Delta Clipper
  253. launcher based on the DC-Y.  At this point government funding shouldn't be
  254. needed any longer and the free market can be expected to fund final
  255. development.
  256.  
  257. Conclusion
  258.   If a functional Delta Clipper is ever produced it will have a profound
  259. impact on all activities conducted in space.  It will render all other
  260. launch vehicles in the world obsolete and regain for the United States 100%
  261. of the western launch market (half of which has been lost to competition
  262. from Europe and China).  It will allow the United States to open up a new
  263. era for mankind, and regain our once commanding
  264.  lead in space technology.
  265.  
  266.  +---------------------------------------------------------------------------+
  267.  | Allen W. Sherzer | "A great man is one who does nothing but leaves        |
  268.  |  aws@iti.org     |  nothing undone"                                       |
  269.  +----------------------91 DAYS TO FIRST FLIGHT OF DCX-----------------------+