На сколько нужно больше топлива для полета на Луну по прямой, без …?

В принципе можно лететь по прямой на Луну. Для этого нужно в процессе разгона сделать маневр, дабы войти в плоскость орбиты Луны и компенсировать окружную скорость космодрома, связанную с вращением Земли вокруг своей оси. Иначе говоря, выйти на радиальную прямолинейную траекторию. Вот первые недостатки этого варианте полета.

Основными потерями энергетических ресурсов являются гравитационные и аэродинамические, связанные с действием притяжения Земли, сопротивлением атмосферы. Поэтому ракеты стартуют вертикально, чтобы пока скорость мала, быстрее преодолеть плотные слои атмосферы. Ракета может взлетать только в случае, если реактивное ускорение превышает ускорение силы тяжести g. Поэтому при длительном по времени вертикальном разгоне велики гравитационные потери. Если реактивное ускорение превышает g в два раза, то гравитационные потери снижают скорость на 50 %. Если первое ускорение в четыре раза больше за второго – на 25 % и т. д. Из вышесказанного следует: на первом этапе разгона для двух вариантов полета имеем равные потери по топливу.

Для выхода на круговую орбиту ракета постепенно отклоняется от вертикального курса и переходит в горизонтальное направление. На этом участке разгона гравитационные потери обуславливаются проекцией g на вектор скорости, что дает экономию по топливу. На завершающем участке разгона с круговой орбиты переход по касательной на эллиптическую или параболическую происходит уже почти без гравитационных потерь, что весьма важно для космонавтики.

Полагаю, для полета по прямой на Луну потребуется дополнительно 15 – 20 % топлива. Многое зависит от массы полезной нагрузки, суммарной скорости, числа ступеней, скорости истечения газов, коэффициента совершенства конструкции, времени планируемого полета.

Полет к Луне и так осуществляется почти по прямой (если не считать очень медленные траектории с использование ионных двигателей). Точнее это дуга очень сильно вытянутого эллипса. Выйти на такую траекторию можно и сразу при старте, без задержки на околоземной орбите. Задержка служит не столько для экономии топлива, сколько для проверки всех систем перед стартом в Луне, а также для уточнения и корректировки траектории перед финальной фазой разгона.