home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Suzy B Software 2 / Suzy B Software CD-ROM 2 (1994).iso / nasa / to_orbit / to_orbit.txt < prev   
Encoding:
Text File  |  1995-05-02  |  35.0 KB  |  603 lines

  1.                    Low Cost Launch to Low Earth Orbit (LEO)
  2.                     by Jim Chestek, retired space engineer
  3.  
  4.  
  5. ABSTRACT.
  6.  
  7.     The energy content of a satellite in LEO is of the close order of 30 MJ per
  8. kilogram.  A barrel of oil costs $20-40 (August '90 to October '90) and
  9. contains over 6000 MJ.  Thus, the energy cost of a kilogram satellite is around
  10. 1/200th of a barrel of oil or 0.10-0.20 cents per kilogram.  Current launch
  11. costs are in the neighborhood of $3000-10,000 per kilogram.  (Bad
  12. neighborhood).  This article explains some of the reasons for this discrepancy,
  13. and what (maybe) could be done about it in the reasonably near future.
  14.  
  15.  
  16. SUMMARY.
  17.  
  18.     The first section of this article discusses the terms and units used in the
  19. discussion.  If you are already familiar with the technical use of SI (metric)
  20. units, you can skip this.
  21.  
  22.     The second section describes how to calculate the energy content of a
  23. satellite.  Then the third section shows that this energy content has a trivial
  24. cost.
  25.  
  26.     The fourth section describes why rockets are so dreadfully inefficient.  It
  27. then introduces some of the concepts which have at least the theoretical
  28. prospect of being vastly more efficient than rockets.
  29.  
  30.     The fifth and final section introduces the subject of engineering
  31. economics.  Transportation systems, like cars and airplanes, have to be paid
  32. for, and that cost usually far exceeds the fuel costs.  Further there are other
  33. operating costs, like pilots, mechanics, and ticket agents that must be paid.
  34.  
  35.  
  36. Definition OF TERMS/UNITS.
  37.  
  38.     First, let us be clear about the units we will use in this discussion.
  39. Rather than get tangled up in mass pounds (lbm) and force pounds (lbf), which
  40. are NOT the same thing, this paper will use only the Systeme International
  41. d'Unites (abbreviated SI in all languages) units. (1)  Not only does this
  42. eliminate the confusion between weight and mass, it makes the arithmetic easy
  43. since we do not need to be concerned about the relationship of the length of
  44. some English kings forefinger to the length of his foot.  (Twelve inches in a
  45. foot;  what a ridiculous conversion factor!)
  46.  
  47.     Since this system in unfamiliar to many, lets make sure that the
  48. fundamental terms are clear.  "Mass" is how much stuff something contains.  Two
  49. kilograms (kg) of hydrogen (2.016, to be picky) contains
  50. 602,300,000,000,000,000,000,000,000 molecules of hydrogen, (hope I counted the
  51. zeros correctly !) each with two atoms.  This would usually be written as 6.023
  52. E26 molecules of H2, the E26 denoting that the decimal point is to be moved to
  53. the right 26 places.  (This is 1000 times Avogadro's Number, which is the
  54. number of molecules in one gram-mole.)  The number of molecules is the same,
  55. whether the hydrogen is a liquid or a gas.  Of course, the gas takes up more
  56. room.  This is a two kg mass.
  57.  
  58.     Some old guy named Newton promulgated several laws that are pertinent here.
  59. He observed that force equal mass times equals acceleration.  From this they
  60. have defined the unit of force such that one unit of force will cause one unit
  61. of stuff (mass) to be accelerated by a velocity increment of one meter per
  62. second, each and every second.  This acceleration is written by technical types
  63. as one m/sec 2, read as one meter per second squared.  For making this
  64. observation, the inventors of the SI named the unit of force after this guy; so
  65. force, in SI units is measured in newtons, abbreviated N.  Remember, the
  66. fundamental units of newtons are kg-m/sec 2.
  67.  
  68.     The same old guy also noticed that apples fall to the ground, and wrote an
  69. equation for how fast.  The acceleration we call gravity is, near the surface
  70. of the earth, about 9.8 m/sec 2.  (Varies a little, since the earth is not a
  71. sphere, but a lumpy oblate spheroid.  This weird shape causes earth satellites
  72. to do so weird things, but that is a subject for another discussion.)  The
  73. consequence of this is that to support a one kilogram mass takes 9.8 newtons of
  74. force to overcome the acceleration of earth's gravity.  (On the moon the force
  75. required to support the same kilogram mass is only about a sixth as much, which
  76. is why space engineer types don't use the term weight very often.)
  77.  
  78.     The unit of length in SI is a meter.  One thousand meters (a kilometer) was
  79. intended to be a hundredth of a grad arc of the earth circumference.  There are
  80. 400 grads in a complete circle.  (Don't ask me where they got the 400!)
  81. Anyway, there were supposed to be 40,000 kilometers in the circumference of the
  82. earth.  They missed a bit when they defined the meter a couple of centuries
  83. ago, so that there are really 40,075 kilometers in a nominal equator.  In
  84. familiar terms, a meter is a yard plus ten percent, approximately.
  85.  
  86.     That leaves one more important unit we will need to define.  That is
  87. energy.  In any system of units, energy (to an engineer) is a force applied
  88. through a distance.  To make life simple, the SI unit of energy is defined as a
  89. force of one Newton acting through a distance of one meter.  (See how easy the
  90. arithmetic is in SI units.)  This was named the joule, after a very early
  91. electrician.  (It is abbreviated J.)  He got the honor because a watt is the
  92. energy rate of one joule per second.  The joule is a very small unit of energy,
  93. so it is easier to speak of megajoules (MJ), as in million joules.  For
  94. comparison, a kilowatt-hour is 1000 watts for 3600 seconds, or 3.6 megajoules.
  95. Now we can go into orbit.
  96.  
  97.  
  98. ORBITAL POTENTIAL AND KINETIC ENERGY.
  99.  
  100.     There are two ways a brick can hurt you.  It can be dropped upon you, or
  101. thrown at you.  The farther it is dropped, or the faster it is thrown, the more
  102. it will hurt.  This is because, in both cases, it has more energy.  The two
  103. kinds of energy are called potential and kinetic energy.  Note that in the case
  104. of the dropped brick, the acceleration of gravity quickly converts the
  105. potential energy of the brick (what height it was dropped from) into kinetic
  106. energy (how fast it is moving).  Note that this conversion is 100% efficient,
  107. one of few natural processes where this is true.  The reverse conversion is
  108. also 100% efficient, although I can think of no way to attain this without
  109. being already in orbit.  A trampoline bounce would allow most of the kinetic
  110. energy to be converted back into potential energy, but there would be losses in
  111. the trampoline rebound, and of course, air drag on both down and up legs of any
  112. flight in air.
  113.  
  114.     Both kinds of energy are defined in joules, and both are needed to get an
  115. object from the earth surface into orbit.  Potential energy is just the force
  116. used to raise an object to a higher elevation.  To hold a one kg brick off the
  117. floor takes a force of 9.8 N, as we have discussed.  Now to raise that brick
  118. one meter higher, we must apply that force through a distance of one meter.  So
  119. we have to apply a 9.8 N force times one meter or add 9.8 joules of energy to
  120. the brick.  If we want to raise the brick to 300 kilometers, so it will be in
  121. space, we have to add 300,000 meters times 9.8 N or 2,940,000 joules.  Right?
  122. Well, not quite, because at 300 km altitude, the acceleration of gravity is
  123. very slightly reduced.  So, using the calculus (which is definitely another
  124. subject), we can calculate that the energy needed to raise the brick from the
  125. earth surface to 300 km is only 2,807,560 joules, instead of 2.94 million
  126. joules. (2)
  127.  
  128.     What keeps a satellite from falling back to earth?  The answer is its
  129. velocity.  This same old codger (Newton--he must have been a smart guy) gave us
  130. yet another law.  He said that an object in motion would continue in a straight
  131. line (forever) unless acted upon by a force.  It you tie a rock to a string and
  132. swing it around your head, there is a definite force on the string.  We call
  133. that centrifugal force.  It is that force that makes the rock travel in a
  134. curved path, rather than continue in a straight line.  (Have you ever seen said
  135. string break?)
  136.  
  137.     If we want the satellite to fly at constant altitude around the earth, then
  138. it must travel at a given velocity, so that the acceleration of gravity at the
  139. satellite altitude is EXACTLY offset by the centrifugal force of the satellite.
  140. (This NEVER happens.  But we can get the velocity close enough to stay at
  141. nearly the same altitude.)  This orbit velocity can be readily calculated.  For
  142. a circular orbit altitude of 300 km, this velocity is 7725.846827 meters per
  143. second, approximately.
  144.  
  145.     This represents a LOT of kinetic energy.  Kinetic energy is given by the
  146. formula:
  147.  
  148.                  KE = one half of mass times velocity squared
  149.  
  150. Trust me.  (The half comes from the constant of integration, but lets not get
  151. into that.)  The units are thus kg-meter 2/sec 2;  which can also be written as
  152. meter times (kg-meter/sec 2).  That LOOKS like meter (distance) times N
  153. (force).  And it IS.  So the units of kinetic energy (KE) are joules, just like
  154. the units of potential energy (PE).  Numerically, at that velocity a kilogram
  155. mass has an energy of 29.8 million joules.  (7725 x 7725 */2)
  156.  
  157.     It should be noted in passing that there is a trivial amount of kinetic
  158. energy in the satellite while it is still on the launch pad.  This is
  159. occasioned by the rotation of the earth.  For example, at Cape Caneveral, this
  160. earth velocity is 408 m/sec.  This corresponds to a kinetic energy of about
  161. 0.083 MJ per kilogram, about a quarter of one per cent of the orbital energy.
  162. This is not much to fret about, but NASA and other rocket enthusiasts always
  163. make a really big deal out of it; i.e they always launch east instead of north
  164. or west.  This is because rockets are so awful that they need all the help they
  165. can get.
  166.  
  167.  
  168. ORBITAL ENERGY COST
  169.  
  170.     Now we can determine the energy cost for a mass in orbit.  The total energy
  171. of a kilogram satellite at 300 km altitude is the sum of the potential and
  172. kinetic energy, as just seen in the previous section is 29.8 plus 2.8 = 32.6
  173. million joules.  In more familiar terms, this is a little less than 10
  174. kilowatt-hours.  (9.06 kw-hr.).  You know what you pay your electric company
  175. for a kilowatt hour, so now you know that launch costs are not so high because
  176. of any energy requirement.
  177.  
  178.      According to the Standard Handbook for Mechanical Engineers, (Baumeister &
  179. Marks, Seventh Edition, McGraw Hill page 7-22) Texas crude has a higher heating
  180. value (HHV) of 19,460 Btu/lbm, 7.286 lbm/gal, 42 gal/bbl.  (old book, so they
  181. gave it in English king units.)  This gives 5.95 million Btu/bbl.  This
  182. translates into 6.3 thousand million Joules/barrel, or 6300 MJ per barrel in
  183. the notation we are using.
  184.  
  185.     This one barrel of oil has as much energy as 6300/32.6 or 193.25 kilograms
  186. in a 300 km orbit.  If oil cost $20 per barrel, and ALL of the energy in the
  187. oil could be converted into orbital energy, then the energy cost for one
  188. kilogram would be $20./193.25 or 10.35 cents.  If oil costs $40 a barrel.....
  189. (This is left to the student.)
  190.  
  191.     This "ALL the energy" is the first catch in why launch costs are so much
  192. more than pennies per kilogram.  There is no known process that will convert
  193. the chemical energy in petroleum (or anything else) into orbital energy at 100%
  194. efficiency.  A modern steam power station will convert something like 30 to 40
  195. per cent of the chemical energy into electricity.  This can in turn be
  196. converted into many other forms of energy, such as velocity (kinetic energy),
  197. elevation (potential energy is increased by elevators) heat, etc.  This can
  198. usually be done with rather high efficiency, which is why electricity is so
  199. popular.  Most large motors convert electricity into either of these forms of
  200. mechanical energy with efficiencies that range between 80 and 90%.  Hence if
  201. you could take an elevator to our 300 km orbit, and then use a linear motor to
  202. increase the speed to orbital values, the energy cost of a kilogram in orbit
  203. could be kept to something under a dollar per kilogram.  One problem is the
  204. lack of sky hooks to support this elevator and linear motor.  So we must seek
  205. other solutions.
  206.  
  207.  
  208. ROCKET PERFORMANCE AND FUTURE SOLUTIONS.
  209.  
  210.      Rockets are a lousy way to get to space.  Unfortunately, they are the only
  211. means developed to the point we can routinely use to get there.  They work of
  212. the principle (Newton AGAIN !) that action equal reaction.  So rockets throw a
  213. lot of stuff (mass) out the back as fast as they can.  This produces a force to
  214. propel the rocket in the other direction.  But, they have to throw a LOT of
  215. stuff away to get much of a result.  And they don't throw it away very fast.
  216.  
  217.      There is no point in belaboring this unhappy truth very much.  Current
  218. rockets use the chemical energy of propellants to provide the energy needed to
  219. throw stuff out the back of the rocket.  They usually react a "fuel" with an
  220. "oxidizer" to liberate this energy.  Then, they have to use this energy to hurl
  221. something out the back.  Since they are through with the chemicals they used to
  222. liberate the energy, they (rather sensibly) use the depleted chemicals as the
  223. "working fluid" to throw out the back.  NOTE that this is NOT a given.  They
  224. could keep the depleted chemicals and throw away something else.  The point is
  225. that the energy source and the working fluid DO NOT have to be the same.
  226.  
  227.      For example, a nuclear reactor is a marvelous energy source.  It contains
  228. vastly more energy per pound than any chemical system.  It could be used to
  229. provide the energy to throw rocks out the back to provide thrust.  In fact,
  230. this very system has been seriously proposed to move asteroids around the solar
  231. system.  It is a good scheme.  It could have a very high performance; much
  232. better than the space shuttle engines.  (3).
  233.  
  234.      In the 1960's there was a major program conducted by the Atomic Energy
  235. Commission to develop nuclear rockets as a space launch system.  Their
  236. particular notion was to use high temperature reactors to heat hydrogen working
  237. fluid to high temperature.  They advanced to the point that they were operating
  238. such rockets, with more than enough thrust to lift the reactor, and with
  239. specific impulse much better than todays space shuttle engines.
  240.  
  241.      This scheme does have problems, however.  Would you want a nuclear reactor
  242. to crash near your house?  In your state?  On planet Earth?  Recent thinking
  243. has been that reactor powered space machines may only be used after they are in
  244. such high orbit that they will not fall to earth while they are still
  245. radioactive.  Many centuries, in other words.  So these will not help us into
  246. orbit.
  247.  
  248.      There have been other suggestions to decouple the energy source from the
  249. working fluid.  One such notion is to use a laser beam on the ground to heat a
  250. working fluid in the flying machine to give a high specific impulse propulsion
  251. system.  Speaking for one man, I do not care for such a scheme.  One slip of
  252. the laser beam and you have fried rocket.  Further, any thing that comes into
  253. the beam is instantly destroyed.  Plus clouds, etc.  Moreover, it is not
  254. necessary, in my opinion, in order to develop low cost launch.
  255.  
  256.     There are at least four schemes that offer some prospects for low cost
  257. launch into orbit.  They are, in my view:
  258.  
  259.     1.  Air breathing boosters, one or two stages.
  260.     2.  Ground based catapults
  261.     3.  Launch loops, or space fountains.
  262.     4.  The space elevator to geosynchronous orbit.
  263.  
  264. In addition, there are several non-rocket schemes that can be used to move
  265. about in space, once low earth orbit has been attained, plus more very high
  266. performance jet propulsion schemes that may be useful in that regard.  Several
  267. of these involve tethers.  There is a whole body of literature on this, so I
  268. will not treat the subject here.  One useful starting point is the report of
  269. the National Commission on Space.  (4)
  270.  
  271.  
  272. CONCEPT 1.  AIRBREATHING BOOSTERS
  273.  
  274.     The SR-71 airplane, recently retired by the USAF, takes off horizontally
  275. under its own power, and is capable of sustained flight (many thousands of
  276. kilometers) at Mach 3+ at about 25 km altitude.  By the time our "best" rocket,
  277. the infamous space shuttle, achieves that energy state it has burned something
  278. like a million kg of propellant (about half of its initial load).  Then it
  279. struggles on up from there.  It should be noted that the SR-71 is twenty-five
  280. year old technology.
  281.  
  282.     If we gave it just a bit of attention we could devise a first stage booster
  283. that could get into "space" by getting high and fast enough to zoom into
  284. vacuum, trading kinetic for potential energy. (I suggest Mach 4+ at an altitude
  285. of 30-35 km before starting the zoom.)  At this point rockets could take over,
  286. operating all of the time at their best performance; i.e. vacuum Isp.  After
  287. the rocket separates,  the airplane "re-enters", which is quite easy from such
  288. "low" speeds, and lands.  It could be reused many times with very little
  289. "refurbishment."  The second stage goes into orbit.  The engines and
  290. electronics could be recovered and reused, but it would be better to sell the
  291. whole thing for scrap to the space colonists.
  292.  
  293.     I did enough calculations on this concept to make a presentation at the
  294. Chicago Space Development conference in July 1989.  That exercise convinced me
  295. that there is a lot of potential in this approach.  However, the existing space
  296. flight organizations are sufficiently enamored of rockets that this kind of
  297. thinking does not get much attention.
  298.  
  299.      A much more well known approach is that of the National Aerospace Plane,
  300. or NASP or "Orient Express."  A prototype, sometimes known as the X-30, has
  301. been funded by the US government (NASA and DoD combined) for several years now.
  302. This is, at present (August '90), only a technology development effort.  Funds,
  303. and DC politics permitting, it MAY be funded as a flight project "soon."  It is
  304. expected, if the development succeeds as well as hoped, that an "airplane" will
  305. be able to take off from a (long) runway, and "fly" into orbit and return, just
  306. like an airliner.  This is a long stretch of current technology, so it will
  307. take awhile, and cost a lot of money to make this come true.  There is a paper
  308. in LIB14 (NASP.TXT) that discusses this approach in considerable more detail.
  309.  
  310.     The biggest apparent problem with this approach may be cost.  At the
  311. Chicago Space Development Conference there was a presentation on this subject.
  312. The presenter, in answer to a question, "guessed" ( and you KNOW it had to be a
  313. wild guess) that, after the development was done, each vehicle might cost $1
  314. billion!  You can buy ten 747's for that.  This will be discussed in the
  315. section on engineering economics.
  316.  
  317.  
  318. CONCEPT 2.  CATAPULTS
  319.  
  320.     The second concept, ground based catapults, is finally getting a little
  321. attention.  Several years ago when working on some far future space weapon
  322. concepts I discovered that, contrary to my expectations, atmospheric drag DID
  323. NOT prevent a "bullet" from exiting the earth atmosphere.  Mach 25 at earth
  324. surface does lead to a SERIOUS aerodynamic heating problem, but there are well
  325. established technical approaches that can solve that problem.  Last year I
  326. answered a question in the "letter to editor" column of Ad Astra with this
  327. finding.  Just recently (July 23, 1990) AvWeek described a Lawrence Livermore
  328. National Laboratory concept for a light gas gun concept for accomplishing space
  329. launch from a gun tube on a small mountain.  They projected the cost to be
  330. $600/kg, which a small fraction of rocket costs.  I was very glad to see that
  331. proposal.  Livermore gets a lot more respect than a lone retired engineer.
  332.  
  333.     This concept is not yet ready to fly.  It will take substantial R&D on
  334. several aspects, not the least of which is thermal protection of a projectile
  335. moving at Mach 18 or so in dense atmosphere.  This scheme WILL NOT be suitable
  336. for people.  Livermore projects 5000 gee acceleration.  An electric gun would
  337. let you control that to lower values, but not low enough for people, until we
  338. build an evacuated "tunnel" many hundreds of kilometers long.  Of course, on
  339. the moon we don't need to provide our own vacuum ...
  340.  
  341.  
  342. CONCEPT 3.  SPACE FOUNTAINS
  343.  
  344.     The third concept absolutely fascinates me.  I first ran across it in a
  345. book by Robert Forward called "Future Magic." (4)  This scheme is anything but
  346. magic!  It appears most practical, given a very large investment to develop and
  347. operate the system.  Basically it uses a "mass driver" to accelerate mass up
  348. into space.  To avoid aerodynamic losses, the lower part of the system is
  349. enclosed in a vacuum tube (or tower), open to space at the upper end.
  350.  
  351.     At the space terminus, the mass is "caught", turned around and hurled back
  352. to earth.  This can support the space terminus against gravity, for just the
  353. energy loss in the mass driver motors (and a bit of residual aero drag.)  Now
  354. once in space, you can build a LONG catapult to launch things, including
  355. people, into orbit.  That is a quick description.  Better, buy Forward's book
  356. and read it for yourself.
  357.  
  358.      At the Chicago Space Development Conference, Forward gave a presentation
  359. which enlarged somewhat on the material in his book.  In particular, he
  360. suggested that tiny prototypes "only a few miles high" could be built as
  361. attractions for Worlds Fair type exhibitions.  This would provide some of the
  362. initial technology, and create a climate such that the full fledged space tower
  363. could be undertaken.
  364.  
  365.  
  366. CONCEPT 4.  SPACE ELEVATOR
  367.  
  368.     The "space elevator to geosynchronous" concept has been around a long time.
  369. The notion is very simple.  You hang a rope down from a geosynchronous
  370. satellite and just climb up it.  Better, use an elevator.
  371.  
  372.     I think I first heard of this idea in the late 60's or maybe early 70's.
  373. The problem is that the "rope" requires materials that are not yet even nearly
  374. available.  When I first heard of the concept it was being suggested that a
  375. single crystal diamond 36,000 km long might cut it.  Of course, nobody then had
  376. any idea how to make such a thing.  We might come closer today with vapor
  377. deposition techniques.  The development of Kevlar by DuPont brought us a step
  378. closer, but still no cigar.
  379.  
  380.     The same book by Forward also discuss this concept in more detail than
  381. this.  There are some clever ideas involving tapered ropes, and "twanging" to
  382. avoid low flying satellites described there.  Arthur Clarke also mentions this
  383. concept in his book "Profiles of the Future." (5)  In the same book Clarke also
  384. describes a trolley/elevator concept for getting into orbit. (page 208,9)
  385. Either I don't understand what he is getting at, or it won't work as
  386. described.
  387.  
  388.  
  389. ENGINEERING ECONOMICS
  390.  
  391.     This subject is simply a formal treatment of Robert Heinlein's TANSTAAFL
  392. (there ain't no such thing as a free lunch), so don't be put off by the title.
  393. Simple put, it treats the cost of engineering projects in a way that B School
  394. types can deal with.  For our present purposes, it can be reduced to a few
  395. simple calculations.
  396.  
  397.     First, there is amortization.  Consider a simple mortgage of $100,000,
  398. payable over twenty years.  At an interest rate of ten percent, the payments
  399. would be $11,746 calculated on an annual basis.  This is a simple calculation
  400. that you can verify by looking at any amortization table.  If the payments are
  401. calculated on a monthly basis they are $965 a month, a bit less.  The easiest
  402. way for a computer user to do these calculations is to use your favorite spread
  403. sheet.  (If your favorite spread sheet can't do this, it is time to upgrade!)
  404.  
  405.     Now suppose that an aerospace plane (ASP) actually does cost
  406. $1,000,000,000.  (I do not seriously consider that any serious space
  407. transportation system will result from efforts by the US government--0r any
  408. other government, but only from a commercial enterprise.  Hence I eschew the
  409. term NATIONAL ASP.)  If the cost of money is 10%, and you want to use it for
  410. twenty years, the monthly "mortgage" payment on the airplane is $9.65 million.
  411. If each plane can make a flight per week (call it 50 per year) then the
  412. "mortgage payment" per flight is $2.3 million.
  413.  
  414.     There are some good reasons to expect that the flight frequency to orbit
  415. will be less than current airplane flight frequency..  First, orbit mechanics
  416. limit flight opportunities.  It is hard to expect that you will get more than
  417. one launch opportunity per day to reach any given space destination.  Once in
  418. orbit, it will take some time to rendezvous with the "space station", more time
  419. to unload passengers and cargo. Then you must wait until a suitable entry
  420. window to return.  It is very hard to imagine a time much shorter than a day or
  421. two from lift-off to touchdown.  Take a day to "turn-around" the airplane, and
  422. you are limited to two or maybe three flights per week, and that seems to
  423. pushing things.  Maybe after some years of operation that will happen, but not
  424. at first.
  425.  
  426.     The performance of an ASP is altogether uncertain.  Much development and
  427. many questions remain before even any credible preliminary design numbers can
  428. be cited.  So let us speculate a bit.  Most current illustrations, (which are
  429. "only" artists concepts) picture a vehicle about the size of a modern airliner.
  430. The shape looks like a Concorde, but the mass is probable more like that of a
  431. 747.  Maybe a 747 with the payload of a Concorde seems reasonable.  Say, a
  432. take-off mass of 300,000 kg, an empty vehicle mass of 50,000 kg and a usable
  433. payload of 20,000 kg.
  434.  
  435.     Now, assuming that each flight can carry 20,000 kg into orbit, the capital
  436. cost is $116 per kg if you only get one flight per week.  This is vastly better
  437. than present costs, but it still isn't "cheap."  And of course we are just
  438. getting started adding up costs.
  439.  
  440.     The fuel for the ASP almost certainly has to be liquid hydrogen (LH2).
  441. (Probably no other fuel will burn rapidly enough to support operation of a
  442. ramjet in which combustion is occurring at SUPERSONIC velocity.) It will take
  443. for the assumptions just cited, 230,000 kg of LH2 for each flight.  The current
  444. cost of LH2 is several dollars per pound.  That doesn't mean too much since it
  445. is produced in rather small quantities with very stringent specifications.
  446. Given large scale commercial production, the cost can probably be reduced.  The
  447. energy content of LH2 is about three times that of jet fuel.  Hence on a pure
  448. energy cost basis it will probably never cost less than three times the price
  449. of jet fuel.  Moreover, since it will always be more challenging to produce,
  450. transport and store a cryogen, LH2 can be expected to command a premium above
  451. jet fuel.  Jet fuel is presently about $1 per US gallon.  This translates to
  452. about $0.35 per kg.  Hence LH2 will cost, say, $2 per kg in large production at
  453. some future time.  So add another $0.5 million per flight.
  454.  
  455.     It should be noted that the ASP will need a tad of liquid oxygen (LO2) for
  456. the last bit of delta-V to get into space.  However, the amount is small, and
  457. the cost of LO2 is low, so we will just lump that into into the half million,
  458. along with the dribs and drabs of rocket propellants needed for maneuvering to
  459. rendezvous with a space station.
  460.  
  461.     The flight crew has to be paid, but this should not be a big deal.  Say an
  462. annual salary of $200,000 per year to make ten flights.  (I bet we could hire
  463. crews for that.)  For two pilots and one flight attendant we are looking at
  464. $0.06 million in direct salary.  Add 66% for benefits and call it $0.1 million
  465. for flight crew.
  466.  
  467.     A much bigger item is maintainence.  For commercial airlines this exceeds
  468. the direct operating costs, fuel and salaries.  There is a multiple of many
  469. hours of maintainence for each flight hour for both large commercial airliners
  470. and high performance military aircraft.  For the current NASA shuttle, this
  471. multiple has been taken to ridiculous extremes.  Literally thousands of people
  472. work all year to provide a dozen flights or less.  (Call it 10,000 people
  473. working 2000 hours per year for ten flights per year.  That arithmetic comes
  474. out to two MILLION hours of "maintainence" per 100 hour flight.)  Military
  475. aircraft can do something like 200 hours of maintenance per hour of flight, or
  476. 100 times better per hour than the space shuttle.  Commercial aircraft do even
  477. better.  For the ASP, lets call it 500 hours per hour of flight, and figure 20
  478. hours per flight.  This comes to 10,000 hours per flight.  At say, $50 per
  479. hour, labor and overhead, this is another half million dollars.  Add that much
  480. more for parts, and we have $1 million per flight.
  481.  
  482.     There will also be some cost for the ground-based portion of the system.
  483. In the airline analogy this would be the weather office, the tower controllers,
  484. the passenger agents, and the like.  At present NASA has a staff of hundreds
  485. working around the clock during manned flight operations.  Our future
  486. "spaceline" must do much better than that, so we will consider a bill about the
  487. size of the maintainence bill.
  488.  
  489.      Now we can add up the bill for each flight of the ASP:
  490.  
  491.      Capital costs     $2.3  million
  492.      Fuel               0.5
  493.      Crew salary        0.1
  494.      Maintainence       1.0
  495.      Ground Support     1.0
  496.           _______
  497.      TOTAL              4.9 million
  498.  
  499. Oh heck, these are rough numbers, so lets round it off to $5.0 million per
  500. flight, or $250 per kilogram.  While this is FAR better than the $10,000 per
  501. kilogram of today, it is still far from cheap.  Each passenger, including
  502. accommodations and life support will mass at least 200 kg.  This makes your
  503. fare about $50,000, BEFORE profit and taxes.  This is in 1990 dollars, and just
  504. includes the transportation. (The "hotel bill" will be extra, a LOT extra.)
  505. Evidently, only the rich will be able to afford a week-end in space.
  506.  
  507.     This is probably our best example of "engineering economics" applied to
  508. future space flight costs.  I would love to be able to do a similar estimate
  509. for Forward's "space fountains", but the concept is still too far from
  510. practical development to feel able to do that.  For example, will a few more
  511. years of development in high temperature superconductors result in inexpensive
  512. and practical supermagnets for mag-lev transportation and/or mass drivers?  If
  513. so, the day of affordable space transportation will be much advanced.  Can we
  514. devise automated construction machinery, so that the building of a "space
  515. fountain" tower 50 miles high will be affordable ?
  516.  
  517.     It should be noted that the transportation costs for a system such as this
  518. will be dominated by the capital costs for the facility and the maintainence
  519. costs.  Energy costs will be pennies per kilogram, and the "crew" may be you
  520. pushing an elevator button.  (I can dream, can't I?)
  521.  
  522.     In any case, the object of this paper is to show that there are prospects
  523. in sight for much lower costs for a trip to orbit.  There is a "chicken and
  524. egg" problem about the development of these systems however.  Any of these
  525. schemes will cost billions to develop.  Nobody, government or private, will
  526. spend those billions until there is a "market demand" for large amounts of
  527. transportation to low earth orbit.  On the other hand, the demand for such
  528. transportation will not develop until it is much lower in cost.  It may take
  529. quite a while to "ratchet-up" to the level of demand that will warrant spending
  530. the billions on these developments.
  531.  
  532.     At some point, there may be a development which will can later be
  533. identified as a turning point in this process.  For example, if an AID's
  534. vaccine could be produced only in microgravity, that would produce an immediate
  535. demand for transportation to low earth orbit.  However, such a demand cannot
  536. occur until some such process that demands orbital operations has been
  537. developed.  This has already happened for GEO.  Corporations can buy and launch
  538. comsats, and make large profits from their operation.  We still await for an
  539. analogous profit-making business to be developed for low earth orbit.  I am
  540. personally hopeful that the manufacture of some materials in microgravity will
  541. provide a market driver at LEO.
  542.  
  543.     If any readers have any suggestions about how to expedite this
  544. "ratcheting-up" process, I would love to hear them.  I would also like to hear
  545. from any readers who have comments or corrections to the material I have
  546. presented here.
  547.  
  548.                                        Jim Chestek
  549.                                        Retired Space Engineer
  550.  
  551.  
  552. FOOTNOTES.
  553.  
  554. (1)  A good description of this system is given in the "Metric Practice Guide."
  555. This is also known as American National Standard Z210.1.  The version I use was
  556. issued by the American Society for Testing and Materials, as publication
  557. E380-74.  This is a valuable compendium of conversion factors;  hundreds of
  558. them.  About the only one I could not find was the factor to convert furlongs
  559. per fortnight into meters per second.
  560.  
  561. (2)  This is a bit complicated to explain, since most orbit mechanics texts put
  562. the datum point for calculating potential energy at an "infinite" distance from
  563. the earth, with the result that the potential energy of a satellite is usually
  564. given as a large NEGATIVE number.  However, in this system, the potential
  565. energy of a mass of an object on the surface of the earth is a MORE negative
  566. number.  In case anybody wants to do arithmetic on orbit energy using the
  567. surface of the earth as a datum point the relevant formula is rather simple:
  568.  
  569.     PE = mass (kg) x (mu/re -mu/ ro)       where
  570.  
  571.          PE   is the potential energy of a kilogram satellite in joules;
  572.          re   is radius of the earth, 6378.2 km
  573.          ro   is the radius of the satellite orbit in km,
  574.          mu   is 398601.2 (km 3/sec 2);  earth's  gravitational constant.
  575.               Hence, the first term of the equation is numerically equal to
  576.               62.5 million m 2/sec 2  OR 62.5 megajoules per kilogram.)
  577.  
  578.     In my example, for a 300 km altitude, ro is thus 6678.2, and the fraction
  579. mu/ro is 59.7 million, making the difference 2.8.  When multiplied by one kg
  580. mass, this is 2.8 MJ.
  581.  
  582.      A good text on Astrodynamics is "Fundamentals of Astrodynamics;" by Roger
  583. R. Bate, Donald D. Mueller, and Jerry E. White.  Dover Publications Inc.,  180
  584. Varick Street, New York, NY  10014.  Library of Congress Catalog 73-157430.  I
  585. recommend this one because it is reasonably priced, and probably can be ordered
  586. by most book stores.  You will need a working knowledge of the calculus to
  587. follow the derivations, but there is some hope of understanding the concepts
  588. without that.
  589.  
  590. (3)  The first mention of this scheme that I am aware of came from Dandridge
  591. Cole.  In "Islands in Space,"  (Cole & Cox) published by Chilton in 1964  (Lib.
  592. of Cong. 64-7625) there is an illustration by Roy Scarfo of a linear motor on a
  593. planetoid busily launching cargo.  This same device could be used for
  594. propulsion, and I believe that Dan Cole discussed this in other work later.
  595. The idea has been advocated in several other publications since that time.
  596.  
  597. (4)  "Pioneering the Space Frontier," The report of the National Commission on
  598. Space.  Bantam Books, 1986 (Illustrations Copyrighted), Library of Congress
  599. TL789.8 U5 U565 1986.  ISBN 0-553.34314.9
  600.  
  601. (5)  "Profiles of the Future," Arthur C. Clarke;  Holt, Rinehart and Winston
  602. (New York).  Library of Congress T20.C54.  ISBN 0-03-069783-2
  603.