home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Space & Astronomy / Space and Astronomy (October 1993).iso / mac / TEXT_ZIP / spacedig / V16_3 / V16NO331.ZIP / V16NO331
Internet Message Format  |  1993-07-13  |  42KB

  1. Date: Thu, 18 Mar 93 05:22:39    
  2. From: Space Digest maintainer <digests@isu.isunet.edu>
  3. Reply-To: Space-request@isu.isunet.edu
  4. Subject: Space Digest V16 #331
  5. To: Space Digest Readers
  6. Precedence: bulk
  7.  
  8.  
  9. Space Digest                Thu, 18 Mar 93       Volume 16 : Issue 331
  10.  
  11. Today's Topics:
  12.                                  DC-X
  13.                 Just a little tap (was Re: Galileo HGA
  14.                           Retraining at NASA
  15.                     Semi-technical aspects of SSTO
  16.                  SSTO: A Spaceship for the rest of us
  17.  
  18.     Welcome to the Space Digest!!  Please send your messages to
  19.     "space@isu.isunet.edu", and (un)subscription requests of the form
  20.     "Subscribe Space <your name>" to one of these addresses: listserv@uga
  21.     (BITNET), rice::boyle (SPAN/NSInet), utadnx::utspan::rice::boyle
  22.     (THENET), or space-REQUEST@isu.isunet.edu (Internet).
  23. ----------------------------------------------------------------------
  24.  
  25. Date: Wed, 17 Mar 1993 21:43:07 GMT
  26. From: "Allen W. Sherzer" <aws@iti.org>
  27. Subject: DC-X
  28. Newsgroups: sci.space
  29.  
  30. In article <1993Mar15.215111.16934@draper.com> mrf4276@egbsun10.NoSubdomain.NoDomain (Matthew R. Feulner) writes:
  31.  
  32. >I haven't been keeping up to date, so could someone give me a reference
  33. >where I can read about DC-X?
  34.  
  35. I'll re-post a couple of papers I have. The first was written by me and
  36. is the draft NSS position paper on SSTO. The second was written by Henry
  37. Spencer for the Freshmen Orientation project.
  38.  
  39.   Allen
  40.  
  41. -- 
  42. +---------------------------------------------------------------------------+
  43. | Allen W. Sherzer | "A great man is one who does nothing but leaves        |
  44. |  aws@iti.org     |  nothing undone"                                       |
  45. +----------------------91 DAYS TO FIRST FLIGHT OF DCX-----------------------+
  46.  
  47. ------------------------------
  48.  
  49. Date: 17 Mar 93 21:01:47 GMT
  50. From: "Don M. Gibson" <dong@oakhill.sps.mot.com>
  51. Subject: Just a little tap (was Re: Galileo HGA
  52. Newsgroups: sci.space
  53.  
  54. In article 732388252@golem.ucsd.edu, rabjab@golem.ucsd.edu (Jeff Bytof) writes:
  55. >This is really off the wall, but would there be any way to calculate 
  56. >the effect of forces due to induced magnetic fields on the spacecraft
  57. >structure and antenna as it passes through the intense Jovian magnetic
  58. >and particle fields?  Perhaps a way could be found by proper orientation
  59. >of the spacecraft to apply differential pressure to some critical area
  60. >of the structure.
  61.  
  62. it seems calculatable, but i have no idea how.  the S/C orientation is 
  63. determined by the need for the orbit insertion burn.
  64. --DonG
  65.  
  66. ------------------------------
  67.  
  68. Date: 17 Mar 93 14:19:42
  69. From: Steinn Sigurdsson <steinly@topaz.ucsc.edu>
  70. Subject: Retraining at NASA
  71. Newsgroups: sci.space
  72.  
  73. In article <C3xK35.ItI@techbook.com> szabo@techbook.com (Nick Szabo) writes:
  74.  
  75.    Get off this stupid forum and get back to work, you lazy, 
  76.    good-for-nothing exemplar of why socialism sucks.  If you 
  77.  
  78. Cut it out Nick.
  79.  
  80. |  Steinn Sigurdsson    |I saw two shooting stars last night        |
  81. |  Lick Observatory    |I wished on them but they were only satellites    |
  82. | steinly@lick.ucsc.edu |Is it wrong to wish on space hardware?        |
  83. | "standard disclaimer"    |I wish, I wish, I wish you'd care - B.B. 1983    |
  84.  
  85. ------------------------------
  86.  
  87. Date: 17 Mar 93 21:48:19 GMT
  88. From: "Allen W. Sherzer" <aws@iti.org>
  89. Subject: Semi-technical aspects of SSTO
  90. Newsgroups: sci.space
  91.  
  92. [This paper was written for the Freshmen Orientation Project by Henry
  93.   Spencer]
  94.  
  95.  
  96. (Semi-)Technical Aspects of SSTO by Henry Spencer
  97.  
  98. This paper will try to give you some idea of why SSTO makes technical
  99. sense and is a reasonable idea.  We'll concentrate on the overall issues,
  100. trying to give you the right general idea without getting bogged down
  101. in obscure detail.  Be warned that we will oversimplify a bit at times.
  102.  
  103. Why Is SSTO Challenging?
  104.  
  105. Getting a one-stage reusable rocket into orbit doesn't look impossible,
  106. but it does look challenging.  Here's why.
  107.  
  108. The hard part of getting into orbit is not reaching orbital altitude,
  109. but reaching orbital velocity.  Orbital velocity is about 18,000mph.
  110. To this, you have to add something for reaching orbital altitude and for
  111. fighting air resistance along the way, but these complications don't
  112. actually add very much.  The total fuel requirement
  113. is what would be needed to accelerate to 20-21,000mph.
  114.  
  115. So how much is that?  (If you don't want to know the math, skip to the
  116. next paragraph for the results.)  The "rocket equation" is
  117. desired_velocity = exhaust_velocity * ln(launch_weight / dry_weight),
  118. where "ln" is the natural logarithm.  The exhaust velocity is determined
  119. by choice of fuels and design of engines, but 7,000mph is about right
  120. if you don't use liquid hydrogen, and 10,000mph if you do.
  121.  
  122. The bottom line is that the launch weight has to be about 20 times the
  123. dry weight (the weight including everything except fuels) if you don't
  124. use liquid hydrogen, and about 8 times the dry weight if you do.  This
  125. sounds like hydrogen would be the obvious choice of fuel, but in practice,
  126. hydrogen has two serious problems.  First, it is extremely bulky,
  127. meaning that hydrogen tanks have to be very big; the Shuttle External
  128. Tank is mostly hydrogen tank, with only the nose containing oxygen.
  129. Second, some of the same properties that make hydrogen do well on the
  130. weight ratio make it difficult to build hydrogen engines with high thrust,
  131. and a rocket *does* need enough thrust to lift off!  Both of these
  132. problems tend to drive up the dry weight, by requiring bigger and heavier
  133. tanks and engines.
  134.  
  135. So how bad is this?  Well, it's not good.  Even with hydrogen, an SSTO
  136. launcher which weighs (say) 800,000lbs at launch has to be 7/8ths fuel.
  137. We've got 100,000lbs for tanks to hold 700,000lbs of fuel, engines to
  138. lift an 800,000lb vehicle, a heatshield to protect the whole thing on
  139. return, structure to hold it all together at high acceleration... and
  140. quite incidentally, for some payload to make it all worthwhile.  Most
  141. of the dry weight has to go for the vehicle itself; only a small part
  142. of it can be payload.  (That is, the "payload fraction" is quite small.)
  143. To get any payload at all, we need to work hard at making the vehicle
  144. very lightweight.
  145.  
  146. The big problem here is:  what happens if the vehicle isn't quite as
  147. light as the designer thought it would be?  All rockets, and most aircraft
  148. for that matter, gain weight during development, as optimistic estimates
  149. are replaced by real numbers.  An SSTO vehicle doesn't have much room for
  150. such weight growth, because every extra pound of vehicle means one less
  151. pound for that small payload fraction.  Particularly if we're trying to
  152. build an SSTO vehicle for the first time, there's a high risk that the
  153. actual payload will be smaller than planned.
  154.  
  155. That is the ultimate reason why nobody has yet built an SSTO space
  156. launcher:  its performance is hard to predict.  Megaprojects like the
  157. Shuttle can't afford unpredictability -- they are so expensive that
  158. they must succeed.  SSTO is better suited to an experimental vehicle,
  159. like the historic "X-planes", to establish that the concept works and
  160. get a good look at how well it performs... but there is no X-launcher
  161. program.
  162.  
  163. Why Does SSTO Look Feasible Now?
  164.  
  165. The closest thing to SSTO so far is the Atlas expendable launcher.  The
  166. Atlas, without the Centaur upper stage that is now a standard part of
  167. it, has "1.5" stages:  it drops two of its three engines (but nothing
  168. else) midway up.  Without an upper stage, Atlas can put modest payloads
  169. into orbit:  John Glenn rode into orbit on an Atlas.  The first Atlas
  170. orbital mission was flown late in 1958.  But the step from 1.5 stages
  171. to 1 stage has eluded us since.
  172.  
  173. Actually, people have been proposing SSTO launchers for many years.
  174. The idea has always looked like it *just might* work.  For example,
  175. the Shuttle program looked at SSTO designs briefly.  Mostly, nobody has
  176. tried an SSTO launcher because everybody was waiting for somebody else
  177. to try it first.
  178.  
  179. There are a few things that are crucial to success of an SSTO
  180. launcher.  It needs very lightweight structural materials.  It needs
  181. very efficient engines.  It needs a very light heatshield.  And it
  182. needs a way of landing gently that doesn't add much weight.
  183.  
  184. Materials for structure and heatshield have been improving steadily
  185. over the years.  The NASP program in particular has helped with this.
  186. It now looks fairly certain that an SSTO can be light enough.
  187.  
  188. Existing engines do look efficient enough for SSTO, provided they can
  189. somehow adapt automatically to the outside air pressure.  The nozzle
  190. of a rocket engine designed to be fired in sea-level air is subtly
  191. different from that of an engine designed for use in space, and an
  192. SSTO engine has to work well in both conditions.  (The technical
  193. buzzword for what's wanted is an "altitude-compensating" nozzle.)
  194. Solutions to this problem actually are not lacking, but nobody has
  195. yet flown one of them.  Probably the simplest one, which has been
  196. tentatively selected for DC-Y, is just a nozzle which telescopes,
  197. so its length can be varied to match outside conditions.  Making
  198. nozzles that telescope is not hard -- many existing rocket nozzles,
  199. like those of the Trident missile, telescope for compact storage --
  200. but nobody has yet flown one that changes length *while firing*.
  201. However, it doesn't look difficult, and there are other approaches
  202. if this one turns out to have problems.
  203.  
  204. We'll talk about landing methods in more detail later, but this is one
  205. issue that will be resolved pretty soon.  The primary goal of the DC-X
  206. experimental craft is to fly DC-Y's landing maneuvers and prove that
  207. they will work.
  208.  
  209. So... with materials under control, engines looking feasible, and
  210. landing about to be test-flown, we should be able to build an SSTO
  211. prototype:  DC-Y.  The prototype's performance may not quite match
  212. predictions, but if it works *at all*, it will make all other launchers
  213. obsolete.
  214.  
  215. Why A Rocket?
  216.  
  217. As witness the NASP (X-30) program, air-breathing engines do look like
  218. an attractive alternative to rockets.  Much of the weight of fuel in
  219. a rocket is oxygen, and an air-breathing engine gets its oxygen from
  220. the air rather than having to carry it along.  However, on a closer
  221. look, the choice is not so clear-cut.
  222.  
  223. The biggest problem of using air-breathing engines for spaceflight is
  224. that they simply don't work very well at really high speeds.  An
  225. air-breathing engine tries to accelerate air by heating it.  This works
  226. well at low speed.  Unfortunately, accelerating air that is already
  227. moving at hypersonic speed is difficult, all the more so when it has
  228. to be done by heating air that is already extremely hot.  The problem
  229. only gets worse if the engine has to work over an enormous range of
  230. speeds:  NASP's scramjet engines would start to function at perhaps
  231. Mach 4, but orbital speeds are roughly Mach 25.  Nobody has ever built
  232. an air-breathing engine that can do this... but rockets do it every week.
  233.  
  234. Air-breathing engines have other problems too.  For one thing, to use
  235. them, one obviously has to fly within the atmosphere.  At truly high
  236. speeds, this means major heating problems due to air friction.  It
  237. also means a lot of drag due to air resistance, adding to the burden
  238. that an air-breathing engine has to overcome.  Rocket-based launchers,
  239. including SSTO, do most of their accelerating in vacuum, away from
  240. these problems.
  241.  
  242. Perhaps the biggest problem of air-breathing engines for spaceflight
  243. is that they are *heavy*.  The best military jet engines have thrust:weight
  244. ratios of about 8:1.  (This is at low speed; hypersonic scramjets are not
  245. nearly that good.)  The Space Shuttle Main Engine's thrust:weight ratio,
  246. by comparison, is 70:1 (at any speed).  The oxygen in a rocket's tanks
  247. is burned off on the way to orbit, but the engines have to be carried
  248. all the way, and air-breathing engines weigh a lot more.
  249.  
  250. And what's the payoff?  The X-30, if it is built, and if it works
  251. perfectly, will just be able to get into orbit with a small payload.
  252. This is about the same as SSTO, at ten times the cost.  Where is the
  253. gain from air-breathing engines?
  254.  
  255. The fact is, rockets are perfectly good engines for a space launcher.
  256. Rockets are light, powerful, well understood, and work fine at any
  257. speed without needing air.  Oxygen may be heavy, but it is cheap (about
  258. five cents a pound) and compact.  Finally, rocket engines are available
  259. off the shelf, while hypersonic air-breathing engines are still research
  260. projects.  Practical space launchers should use rockets, so SSTO does.
  261.  
  262. Why No Wings?
  263.  
  264. With light, powerful engines like rockets, there is no need to land
  265. or take off horizontally on a runway, and no particular reason to.
  266. Runway takeoffs and landing are touchy procedures with little room
  267. for error, which is why a student pilot spends much of his time on
  268. them.  Given adequate power, vertical takeoffs and landings are easier.
  269. In particular, a vertical landing is much more tolerant of error than
  270. a horizontal one, because the pilot can always stop, straighten out
  271. a mistake, and then continue.  Harrier pilots confirm this:  their
  272. comment is "it's easier to stop and then land, than to land and then
  273. try to stop".
  274.  
  275. What if you don't have adequate power?  Then you are in deep trouble
  276. even if your craft takes off and lands horizontally.  As witness the
  277. El Al crash in Amsterdam recently, even airliners often don't survive
  278. major loss of power at low altitude.  To make a safe horizontal landing,
  279. especially in less-than-ideal weather conditions, you *must* have enough
  280. power to abandon a bad landing approach and try again.  Shuttle-style
  281. gliding landings are dangerous, and airline crews go to great lengths
  282. to avoid them; the Shuttle program, with the nation's best test pilots
  283. doing the flying and no effort spared to help them, has already had
  284. one near-crash in its first fifty flights.  Routine access to space
  285. requires powered landings.
  286.  
  287. If we are going to rely on powered landings, we must make sure that power
  288. will be available.  Airliners do this by having more than one engine,
  289. and being able to fly with one engine out.  SSTO is designed to survive
  290. a single engine failure at the moment of liftoff, and a second failure
  291. later.  Since (at least) 7/8ths of the takeoff weight of SSTO is fuel,
  292. it will be much lighter at landing than at takeoff.  Given good design,
  293. it will have enough power for landing even if several engines fail.
  294. If SSTO has an engine failure soon after liftoff, it will follow much
  295. the same procedure as an airliner:  it will hover to burn off most of
  296. its fuel (this is about as quick as an airliner's fuel dumping), and
  297. then land, with tanks nearly empty to minimize weight and fire hazard.
  298.  
  299. Note that in an emergency, vertical landing has one major advantage
  300. over horizontal landing:  horizontal landing requires a runway, preferably
  301. a long one with a favorable wind, while a vertical landing just requires
  302. a small flat spot with no combustible materials nearby.  A few years ago,
  303. a Royal Navy Harrier pilot had a major electronics failure and was unable
  304. to return to his carrier.  He made an emergency landing on the deck of a
  305. Spanish container ship.  The Harrier suffered minor damage; any other
  306. aircraft would have been lost, and the pilot would have had to risk
  307. ejection and recovery from the sea.
  308.  
  309. Given vertical landing and takeoff, is there any other use for wings?
  310. One:  crossrange capability, the ability to steer to one side during
  311. reentry, so as to land at a point that is not below the orbit track.
  312.  
  313. The Shuttle has quite a large crossrange capability, 1500 miles.
  314. However, if we examine the history of the Shuttle, we find
  315. that this was a requirement imposed by the
  316. military, to make the Shuttle capable of flying some demanding USAF missions.
  317. A civilian space launcher needs a crossrange capability of, at most, a
  318. few hundred miles, to let it make precision landings at convenient times.
  319. This is easily achieved with a wingless craft:  the Apollo spacecraft
  320. could do it.
  321.  
  322. Finally, wings are a liability in several important ways.  They are heavy.
  323. They are difficult to protect against reentry heat.  And they make the
  324. vehicle much more susceptible to wind gusts during landing and takeoff
  325. (this is a significant limitation on shuttle launches).
  326.  
  327. SSTO does not need wings, would suffer by carrying them, and hence does
  328. not have them.
  329.  
  330. Why Will It Be Cheap And Reliable?
  331.  
  332. This is a good question.  The Shuttle was supposed to be cheap and
  333. reliable, and is neither.  However, there is reason for hope for SSTO.
  334.  
  335. The Shuttle's costs come mainly from the tremendous army of people
  336. needed to inspect and refurbish it after each flight.  SSTO should get
  337. by with many fewer.
  338.  
  339. The basic SSTO concept opens major possibilities for simple, quick
  340. refurbishment.  With no discarded parts, nothing needs to be replaced.
  341. With no separating parts, there is no need to re-assemble anything.
  342. In principle, an SSTO vehicle should be able to "turn around" like
  343. an airliner, with little more than refuelling.
  344.  
  345. Of course, this is easier said than done.  But there is no real reason
  346. why SSTO should need much more.  Its electronics experience stresses
  347. not much worse than those of an airliner -- certainly no worse than
  348. those of a jet fighter.  Its structure and heatshield, designed to fly
  349. many times, will have sufficient margins that they will not need
  350. inspection and repair after every flight.  Most space-vehicle components
  351. don't inherently need any more attention than airliner components.
  352.  
  353. The one obvious exception is the engines, which do indeed run at much
  354. higher power levels than airliner engines.  But even here, airliner
  355. principles can be applied:  the way to make engines last a long time
  356. is to run them at less than 100% power.  SSTO engines have it easy in
  357. one respect:  they only have to run for about ten minutes at the start
  358. of the flight and two or three minutes at the end.
  359.  
  360. Still, the Shuttle engines certainly are not a shining example of low
  361. maintenance and durability.  However, it's important to realize that
  362. the Shuttle engines are not the only reusable rocket engines.  Most
  363. liquid-fuel engines could be re-used, were it not that the launchers
  364. carrying them are thrown away after every flight.  And the durability
  365. record of these other engines -- although limited to test stands -- is
  366. *much* better.  The RL-10 engine, which will be used in DC-X, is rated
  367. to fire for over an hour, in one continuous burn or with up to ten
  368. restarts, with *no* maintenance.  Several other engines have comparable
  369. records.  Conservatively-designed engines are nowhere near as flakey
  370. and troublesome as the Shuttle engines.
  371.  
  372. Here again, DC-X should soon supply some solid evidence.  Although its
  373. engines and other systems are not the same ones that DC-Y would use,
  374. they should be representative enough to demonstrate rapid, low-effort
  375. refurbishment, and the DC-X program will try to do so.
  376.  
  377. Airliners typically operate at about three times fuel costs.  The fuel
  378. cost for an SSTO vehicle would be a few dollars per pound of payload.
  379. It may be a bit optimistic to try to apply airline experience to the
  380. first version of a radically new vehicle.  However, even advanced
  381. aircraft typically cost no more than ten times fuel cost.  Even if
  382. SSTO comes nowhere near these predictions, it should still have no
  383. trouble beating existing launchers, which cost several thousand dollars
  384. per pound of payload.
  385.  
  386. We can look at this another way:  head counts.  Airlines typically have
  387. about 150 people per aircraft, and most of those sell tickets or look
  388. after passengers' needs.  Perhaps a better example is the SR-71, which
  389. is like SSTO in that it was an advanced craft, pushing the frontiers
  390. of technology, operated in quite small numbers.  Although it is hard
  391. to get exact numbers because of secrecy, it appears that USAF SR-71
  392. operations averaged perhaps one flight per day, using perhaps eight
  393. flight-ready aircraft, with a total staff of about 400 people.  That's
  394. 50 per aircraft.  If SSTO can operate at such levels -- and there is
  395. every reason to think it can -- it should have no trouble beating
  396. existing launchers, which typically have several thousand people
  397. involved in preparations for each and every launch.  (NASA's Shuttle
  398. ground crew is variously estimated at 6,000-10,000 for a fleet of
  399. four orbiters flying about eight flights a year.)
  400.  
  401. As for reliability, the crucial reason for thinking that SSTO will do
  402. a lot better than existing launchers is simple:  testing.  It should
  403. be feasible and affordable to test an SSTO launcher as thoroughly as
  404. an aircraft.  This is *vastly* more thorough than any launcher.  The
  405. F-15 fighter flew over 1,500 test flights before it was released for
  406. military service.  No space launcher on Earth has flown that many
  407. times, and the only one that even comes close is an old Soviet design.
  408. It is no wonder that the Shuttle is somewhat unreliable, when it was
  409. declared "operational" after a grand total of four test flights.
  410. By aircraft standards, the Shuttle is still in early testing.  Some
  411. expendable launchers have been declared operational after *two* tests.
  412.  
  413. Each and every SSTO vehicle can be tested many times before it carries
  414. real payloads.  Moreover, since SSTO can survive most single failures,
  415. it can be tested under extremes of flight conditions, like an aircraft.
  416. For example, unlike Challenger, an SSTO vehicle would launch with
  417. passengers and cargo in freezing temperatures only after multiple
  418. test flights in such conditions.  There will always be surprises when a new
  419. craft is flown in new conditions, but SSTO should encounter -- and
  420. survive -- most of them in test flights.
  421.  
  422. Conclusion
  423.  
  424. Although there is reason for some uncertainty about the exact performance
  425. of the first SSTO spacecraft, the basic approach being taken is sensible
  426. and reasonable.  It should work.  The imminent test flights of the DC-X
  427. test craft should resolve most remaining technical concerns.  Nobody can
  428. be sure about costs and reliability until DC-Y is flying, but there is
  429. reason to believe that SSTO should be much better than current launchers.
  430. If the program is carried through to a flying DC-Y prototype in a timely
  431. way, it really could revolutionize spaceflight.
  432. From k.c.sheppardson@LaRC.NASA.GOV Thu Jan 28 08:55:06 1993
  433. Received: from express.larc.nasa.gov by iti.org with SMTP
  434.     (5.65b/IDA-1.2.8) id AA18457; Thu, 28 Jan 93 08:55:03 -0500
  435. Received: from sheppardson.larc.nasa.gov by express.larc.nasa.gov with SMTP id BA01875
  436.  (SMTP/Lite-1.15) for <aws@iti.org>; Thu, 28 Jan 93 08:51:52 -0500
  437. Message-Id: <728229112.BA01875@express.larc.nasa.gov>
  438. Date: Thu, 28 Jan 93 08:51:52 -0500
  439. From: Ken Sheppardson <k.c.sheppardson@LaRC.NASA.GOV>
  440. To: aws@hela.iti.org
  441. Subject: Resume (text)
  442. Status: R
  443.  
  444.                             Kenneth C. Sheppardson
  445.  
  446.                             125 Signature Way #216
  447.                               Hampton, VA 23666
  448.                                 (804) 827-4924
  449.  
  450. OBJECTIVE    To use my expertise in system modeling and analysis to support
  451.              the design, development, operation and management of complex
  452.              dynamic systems. 
  453.  
  454. EDUCATION  * Stanford University, Stanford, California
  455.              M.S. Engineering-Economic Systems                    June 1992
  456.  
  457.              - Courses included Decision Analysis, Economic Analysis,
  458.                Optimization, Probabilistic Analysis, Strategy and Planning
  459.                Models, Accounting, and Investment Science
  460.              - Projects included the application of decision analysis and
  461.                optimization methods to develop a facility operations and
  462.                maintenance plan for a division of Sandia National
  463.                Laboratories
  464.  
  465.            * The University of Michigan, Ann Arbor, Michigan
  466.              M.S.E. Aerospace Engineering                        April 1990
  467.              B.S.E. Aerospace Engineering                       August 1988
  468.  
  469.              - Courses included Dynamics, Simulation, System Theory and
  470.                Computer Aided Design
  471.              - President of the Epeians Engineering Leadership Honor
  472.                Society, Engineering Council Executive Secretary, College of
  473.                Engineering Curriculum Committee Rep., University Research
  474.                Policy Committee Rep., and a member of Tau Beta Pi and Sigma
  475.                Gamma Tau
  476.  
  477. EMPLOYMENT * NASA / Langley Research Center
  478.              Space Station Freedom Advanced Programs Office
  479.  
  480.              Aerospace Engineer                                  since 1990
  481.              Graduate Student Researchers Program Participant   1989 - 1990
  482.              Langley Aerospace Research Summer Scholar          Summer 1989
  483.  
  484.              - Managed and took part in space station systems engineering
  485.                and analysis studies
  486.              - Developed software to perform static and dynamic analysis of
  487.                spacecraft and to facilitate the exchange of data between
  488.                analysis packages
  489.  
  490.            * The University of Michigan
  491.              Computer Aided Engineering Network
  492.  
  493.              RA - Control System Software Support Coordinator   1989 - 1990
  494.              RA - Instructional Innovation Program              1988 - 1989
  495.              Counselor / Lab Monitor                            1988 - 1989
  496.  
  497.              - Developed instructional material and provided group and
  498.                individual instruction on the use of system modeling and
  499.                analysis software
  500.  
  501.            * McDonnell Douglas Helicopter Company
  502.              Engineering and Training Simulation
  503.  
  504.              Engin. Assoc.- Flight Dynamics Group               Summer 1987
  505.              Engin. Assoc.- Visual Database Development Group     Fall 1986
  506.  
  507.              - Developed computational models of helicopters and missiles
  508.                for flight simulation
  509.              - Developed software to expedite the generation of flight
  510.                simulator terrain databases and to allow real-time
  511.                communication between simulation system workstations and
  512.                mainframes
  513.  
  514.            * Houk and Soles, Inc. - Food Service Computing Consultants 1984
  515.              - Worked with food service industry clients to design and
  516.                develop planning, inventory control, and purchasing systems
  517.                for restaurants and institutions
  518.  
  519. COMPUTER     - Developed software in Ada, BASIC, C, FORTRAN, Pascal, and
  520. SKILLS         assembly languages
  521.              - Developed and supported software on platforms including UNIX
  522.                workstations, Apple Macintosh systems, DEC VMS systems,
  523.                Gould TSM systems, and IBM PCs
  524.              - Extensive use and support of software including I-DEAS,
  525.                MatrixX, ADAMS, MatLab, Easy5, MSC/NASTRAN, word processors,
  526.                graphics packages, and spreadsheets
  527.  
  528.  
  529. -- 
  530. +---------------------------------------------------------------------------+
  531. | Allen W. Sherzer | "A great man is one who does nothing but leaves        |
  532. |  aws@iti.org     |  nothing undone"                                       |
  533. +----------------------91 DAYS TO FIRST FLIGHT OF DCX-----------------------+
  534.  
  535. ------------------------------
  536.  
  537. Date: Wed, 17 Mar 1993 21:45:22 GMT
  538. From: "Allen W. Sherzer" <aws@iti.org>
  539. Subject: SSTO: A Spaceship for the rest of us
  540. Newsgroups: sci.space
  541.  
  542. [First of two papers on SSTO. This is also the draft NSS position
  543.   paper on SSTO]
  544.  
  545.  
  546.                             SSTO
  547.                A Spaceship for the Rest of US
  548.  
  549. Introduction
  550. Space is an important and growing segment of the U.S.
  551. economy.  The U.S.   space market is currently over $5
  552. billion per year, and growing.  U.S. satellites, and to a
  553. lesser degree U.S. launch services, are used throughout the
  554. world and are one of the bright stars in the U.S. balance of
  555. trade.
  556.  
  557. The future is even brighter.  The space environment promises
  558. new developments in materials, drugs, energy, and resources,
  559. which will open up whole new industries for the United
  560. States.  This will translate into new jobs and higher
  561. standards of living not only for Americans but for the rest
  562. of the world's people.
  563.  
  564. Standing between us  and these new industries is the
  565. obstacle presented by the high cost of putting people and
  566. payloads into space.  This paper addresses the reasons why
  567. access to space is so expensive and how those costs might be
  568. reduced by looking at the problem in a different way.
  569.  
  570. Finally, this paper will describe a radical new spacecraft
  571. currently under development.  Called Single Stage to Orbit
  572. (SSTO), it promises to greatly reduce costs and increase
  573. flexibility.
  574.  
  575. Access to Space: Expensive and Dangerous
  576. Access to space today is very expensive, complex, and
  577. dangerous  With U.S.  expendable launchers like Atlas,
  578. Delta, and Titan, it generally costs about $3,000  to $8,000
  579. to put a pound of payload into low Earth orbit (LEO).  In
  580. addition, U.S.  expendables require extensive ground
  581. infrastructure to do final assembly and payload integration
  582. and complex launch facilities to actually launch the rocket.
  583. Finally, despite all the extra care and effort, they don't
  584. work very well and even the best launchers fail about 3% of
  585. the time (would you go to work tomorrow if there was a 3%
  586. chance of your car exploding?).
  587.  
  588. Even the U.S. Space Shuttle, which was supposed to give the
  589. U.S. routine low cost access to space, has failed.  A
  590. Shuttle flight costs about $500 million (roughly $10,000 per
  591. pound to LEO).  Even going full out, NASA can only launch
  592. each  Shuttle about twice a year (for a total of eight
  593. flights).
  594.  
  595. The effects of these high costs go deeper than the price tag
  596. for the launches themselves.  Space equipment is much more
  597. expensive than comparable equipment meant for use on Earth,
  598. even when tasks are similar and the Earthly environments are
  599. harsh.  The difference is that space equipment must be as
  600. lightweight as humanly possible and must be as close as
  601. humanly possible to 100% reliability.  Both of these extra
  602. requirements are ultimately problems of access to space: if
  603. every extra pound costs thousands of dollars, and replacing
  604. or repairing a failed satellite is impossibly expensive,
  605. then efforts to reduce weight and improve reliability make
  606. sense.  Unfortunately, they also greatly increase price.
  607.  
  608. With equipment so expensive, obviously building extra copies
  609. is costly, and launching them is even worse.  This
  610. encourages space projects to try to get by with as few
  611. satellites as possible.  Alas, this can backfire: when
  612. something does go wrong, there isn't any safety margin...as
  613. witness the U.S.'s shortage of weather satellites at this
  614. time.  Expensive access to space not only produces costly
  615. projects, it produces fragile projects that assume no
  616. failures, because safety margins are too expensive.
  617. Lamentably, failures do happen.
  618.  
  619. Finally, although research in space holds great promise for
  620. new scientific discoveries and new industries, it is
  621. progressing at a snail's pace, and companies and researchers
  622. often lose interest early.  Why?  Because effective research
  623. requires better access to space.  Scientific discoveries
  624. seldom come as the result of single experiments: even when a
  625. single experiment is crucial, typically there is a long
  626. series of experiments leading up to it and following through
  627. on it.  And getting the "bugs" out of a new industrial
  628. process almost always requires a lot of testing.  But how
  629. can such work be done if you only get to fly one experiment
  630. every five years?  Good researchers and innovative companies
  631. often decide that it's better to avoid space research,
  632. because it costs too much and takes too long.   The ones who
  633. haven't abandoned space research are looking hard at buying
  634. flights on Russian or Chinese spacecraft: despite technical
  635. and political obstacles, they can fly their experiments more
  636. often that way.
  637.  
  638. People excuse this because it has always been this way and
  639. so probably always will be (after all, this is rocket
  640. science).  But there are a lot of reasons to think that it
  641. needn't be so complex and expensive.
  642.  
  643. Spacecraft are complex, expensive, and built to aerospace
  644. tolerances but they are not the only products of that nature
  645. we use.  A typical airliner costs about the same as a
  646. typical launcher.  It has a similar number of parts and is
  647. built to similar tolerances.  The amount of fuel a launcher
  648. burns to reach orbit is about the same as an airliner burns
  649. to go from North America to Ausralia.  Looked at this way,
  650. it would seem that the cost of getting into orbit should be
  651. much closer to the $1500 it takes to get to Australia than
  652. to the $500 million dollars plus it takes to put an
  653. astronaut up.
  654.  
  655. Why the differences in cost?  Largely they are due to
  656. different solutions to the same problems.  Some of these
  657. differences are:
  658.  
  659. 1.  Throw away hardware.  A typical expendable launch
  660. vehicle costs anywhere from $50 to $200 million to build
  661. (about the cost of a typical airliner) yet it is used  one
  662. time and then thrown away.  Even the 'reusable' Space
  663. Shuttle throws away most of its weight in the form of an
  664. expendable external tank and salvageable solid rocket
  665. motors.  This is the single biggest factor in making access
  666. to space   expensive.
  667.  
  668. Airlines use reusable hardware and fly their aircraft
  669. several times every day.  This allows them to amortize the
  670. cost of the aircraft over literally thousands of passenger
  671. flights.  The entire Shuttle fleet flies only eight times a
  672. year, while many airliners fly more than eight times per
  673. day.
  674.  
  675. 2.  Redundant Hardware and Checks.  Since expendable
  676. launchers are used one time and then thrown away, they
  677. cannot be test-flown; huge amounts of effort therefore go
  678. into making sure they will work correctly.  Since the
  679. payloads they launch are typically far more expensive than
  680. the launcher (a typical communication satellite can cost
  681. three times the cost of the launcher) millions can be and
  682. are spent on every launch to obtain very small increases in
  683. reliability.  This is well beyond the point of diminishing
  684. returns and sometimes results in greater harm.  For example,
  685. a couple of years ago a Shuttle Orbiter was almost damaged
  686. when it was rotated from horizontal to vertical with a loose
  687. work-platform support still in its engine compartment.  The
  688. support should have been removed beforehand...and three
  689. signatures said it had been.
  690.  
  691. Airliners, since they are reusable and can also be tested
  692. before use, thus are able to be built to more relaxed
  693. standards without sacrificing safety.  The exact same
  694. aircraft flew to get to your airport and it is likely that
  695. any failure would already have been noticed.  In addition,
  696. aircraft are built with redundancy so they can survive
  697. malfunctions; launchers usually are not.  Most in-flight
  698. failures of airliners result, at most, in delays and
  699. inconvenience for the passengers; most in-flight failures of
  700. launchers result in complete loss of launcher and payload.
  701.  
  702. 3.  Pushing the Envelope on Hardware.  Current launchers
  703. tend to use hardware that is run all the time at the outside
  704. limit of its capability.  This may be fine for expendable
  705. launchers which are used one time and don't need to be
  706. repaired for reuse.  But this has also tended to carry over
  707. to the Shuttle which, for example, operates its main engines
  708. at around 100% of its rated thrust (this is like driving
  709. your car 55 MPH in first gear all the time).  Because the
  710. hardware is used to its limit every time, it needs extensive
  711. checkout after every flight and frequent repair.
  712.  
  713. Airliners tend to be much more conservative in their use of
  714. hardware.  Engines are used at far less than their full
  715. rated thrust and airframes are stressed for greater loads
  716. then they ever see.  This results in less wear and tear
  717. which means they work with greater reliability and fewer
  718. repairs.
  719.  
  720. 4.  Labor Requirements.  For all of the reasons given above,
  721. existing launchers require vast amounts of human labor to
  722. fly.  The efforts of about 6,000 people are needed to keep
  723. the Shuttle flying.  This represents a huge expense and is
  724. amortized only over eight or so Shuttle flights every year.
  725.  
  726. Airliners are far more streamlined and, for the reasons
  727. given above, don't need nearly as many people.  A typical
  728. airliner only has 150 people supporting it, including
  729. baggage handlers, flight crews, ticketing people, and
  730. administration.  Since the cost of those 150 people are
  731. amortized over thousands of flights per year, the cost per
  732. flight is very low.
  733.  
  734. Our current  launchers are expensive and complex vehicles.
  735. Yet the fact that we routinely use vehicles with similar
  736. cost and complexity for far less cost indicate that the
  737. causes of high launch costs lie elsewhere.  If we looked at
  738. the problem in a different way, we could try to build
  739. launchers the same way Boeing builds airliners.  The next
  740. section will describe just such a launcher and how it is
  741. being built.
  742.  
  743. A Spaceship that Runs Like an Airliner: SSTO
  744. For a long time, some launcher designers have realized that
  745. designing launchers the way airliners are designed would
  746. result in lower costs.  Several designs have been proposed
  747. over the years and they are generally referred to as Single
  748. Stage to Orbit (SSTO) launchers.
  749.  
  750. 1.  Single Stage to Orbit (SSTO).  Unlike an existing
  751. launcher which has multiple stages, a SSTO launcher has only
  752. one stage.  This results in far lower operational costs and
  753. are key to reusability.  Conventional launchers need
  754. expensive assembly buildings to stack the stages together
  755. before going to the launch pad.  An SSTO only has one stage,
  756. so these facilities are not needed.  This means that the
  757. only infrastructure needed to launch a SSTO is a concrete
  758. pad and a fuel truck.
  759.  
  760. 2.  Built for Ease of Use.  SSTO vehicles are built to be
  761. operated like airliners.  They can fly multiple times with
  762. no other maintenance needed other than refueling.  If a
  763. problem is discovered, all components can be accessed with
  764. ease (by design).  The defective Line Replaceable Unit (LRU)
  765. is replaced and launch can occur with only a short delay.
  766. If the problem is more complex or other maintenance is
  767. needed, the SSTO is towed to a hanger where the easy
  768. accessibility of parts insures rapid turnaround.
  769.  
  770. 3.  Standard Payload Interface.  Payloads need access to
  771. services like power, cooling, life support, etc., while
  772. waiting for launch.  The interfaces which provide these
  773. services are not standardized, adding cost and complexity to
  774. existing launchers.  In effect, part of the launcher must be
  775. redesigned for each and every launch.  SSTOs, however, would
  776. be designed with standard payload interfaces.  This allows
  777. payload integration to occur hours before launch instead of
  778. weeks before launch.  (Although in all fairness, the makers
  779. of expendable launchers are also slowly moving in this
  780. direction).
  781.  
  782. 4.  Built to be tested.  Unlike expendables, SSTO vehicles
  783. do not have to be perfect the first time.  Like airliners,
  784. they can survive most failures.  Like airliners, they can be
  785. tested again and again to find and fix problems before real
  786. payloads and passengers are entrusted to them.  Even when a
  787. failure does occur with a real payload aboard, usually
  788. neither the vehicle nor the payload will be lost.  The
  789. reliability of SSTO vehicles should be close to that of
  790. airliners -- a loss rate of essentially zero -- and far
  791. better than the 3% loss rate of existing launchers.
  792.  
  793.  
  794. SDIO Single Stage Rocket Technology Program
  795. Recent advances in engine technology and materials have made
  796. most critics believe that the technology is now available to
  797. build a SSTO.  In 1989, SDIO recognized the potential of
  798. this approach and commissioned a study to assess its risk.
  799. The study concluded that a SSTO vehicle is possible today.
  800. As a result of this study, SDIO initiated the Single Stage
  801. Rocket Technology Program  (SSRT).  The goal of the three
  802. phase SSRT program is to build a SSTO, thus providing
  803. routine cheap access to space.
  804.  
  805. Phase I consisted of four study contracts to develop a
  806. baseline design for a SSTO.  General Dynamics and McDonnell
  807. Douglas proposed vehicles which both take off and land
  808. vertically (like a helicopter).  Rockwell proposed a vehicle
  809. which takes off vertically but lands horizontally (like the
  810. Space Shuttle does today).  Finally, Boeing proposed a
  811. vehicle which both takes off and lands horizontally (like a
  812. conventional aircraft).
  813.  
  814. In August 1991, SDIO selected the McDonnell Douglas vehicle
  815. (dubbed Delta Clipper) for Phase II development, and
  816. contracted for the construction of a 1/3 scale prototype
  817. vehicle called DC-X.  This prototype is currently under
  818. development and should begin flying in April, 1993.
  819.  
  820. DC-X will provide little science data but a wealth of
  821. engineering data.  It will validate the basic concepts of
  822. SSTO vehicles and demonstrate the ground and maintenance
  823. procedures critical to any successful orbital vehicle.
  824.  
  825. Phase III of the program will develop a full scale prototype
  826. vehicle called DC-Y.  DC-Y will reach orbit with a
  827. substantial payload, hoped to be close to 20,000 lbs,  and
  828. demonstrate total reusability.  In addition, McDonnell
  829. Douglas will begin working with the government to develop
  830. procedures to certify Delta Clipper like an airliner so it
  831. can be operated in a similar manner.
  832.  
  833. Phase III was scheduled to begin in September of 1993 but
  834. SDIO will not be able to fund the Phase III vehicle.  There
  835. is some interest in parts of the Air Force and it is hoped
  836. that they will fund DC-Y development.  It will be a great
  837. loss for America if they do not.
  838.  
  839. After Phase III, it will be time to develop an operational
  840. Delta Clipper launcher based on the DC-Y.  At this point
  841. government funding shouldn't be needed any longer and the
  842. free market can be expected to fund final development.
  843.  
  844. Conclusion
  845. If a functional Delta Clipper is ever produced it will have
  846. a profound impact on all activities conducted in space.  It
  847. will render all other launch vehicles in the world obsolete
  848. and regain for the United States 100% of the western launch
  849. market (half of which has been lost to competition from
  850. Europe and China).  It will allow the United States to open
  851. up a new era for mankind, and regain our once commanding
  852. lead in space technology.
  853.  
  854. -- 
  855. +---------------------------------------------------------------------------+
  856. | Allen W. Sherzer | "A great man is one who does nothing but leaves        |
  857. |  aws@iti.org     |  nothing undone"                                       |
  858. +----------------------91 DAYS TO FIRST FLIGHT OF DCX-----------------------+
  859.  
  860. ------------------------------
  861.  
  862. End of Space Digest Volume 16 : Issue 331
  863. ------------------------------
  864.