Pytanie:
Co ogranicza obecnie prędkość sond kosmicznych?
SF.
2013-07-25 13:03:24 UTC
view on stackexchange narkive permalink

... oczywiście poza budżetem.

Nasze komputery są obecnie na tyle dobre, że powinniśmy być w stanie wysłać sondę do sąsiedniego systemu gwiezdnego iz powrotem, i otrzymać całkiem niezłe raporty analityczne. Mamy baterie, które przetrwałyby sto lat, zanim samorozładowanie uczyniłoby je bezużytecznymi, oraz nośniki do przechowywania zebranych danych przez długi czas. Wydaje się, że obecną blokadą drogową jest prędkość sond - dotarcie na taką odległość zajęłoby znacznie więcej czasu, niż by jakikolwiek nasz sprzęt mógł przetrwać w dobrym stanie. Potrzebujemy lepszego napędu, aby otrzymać wyniki w rozsądnych ramach czasowych.

Najpierw zadam pytanie w bardzo krótki i niekonstruktywny sposób: Dlaczego nie mamy lepszego napędu?

A teraz coś mniej subiektywnego: z jakimi przeszkodami zmagają się obecnie naukowcy, które sprawiają, że napęd naszych sond jest zbyt słaby, aby myśleć praktycznie o misjach poza Układem Słonecznym? Czy istnieją jakieś rozsądne prognozy lub projekty dotyczące układów napędowych, które znacznie ulepszyłyby to, co mamy? Czy to tylko budżet? Daj mu wystarczająco duży zbiornik paliwa, a będzie latał tak szybko, jak sobie życzymy? A może są inne względy, takie jak bezpieczeństwo w przypadku energii jądrowej?

Oprócz problemu z napędem pamiętaj, że im dalej wyjdziesz, tym większa utrata ścieżki dla kanału komunikacyjnego. W przypadku kanału zwrotnego (tj. Sondy na Ziemię) oznacza to, że albo sonda musi nadawać z większą mocą, albo odbiornik na Ziemi musi być większy i lepszy. Mówiąc prościej, ilość energii wymagana na bit komunikacji stanie się wąskim gardłem (uważam, że rośnie o około r ^ 2).
@robguinness: Są na to dwa rozwiązania: 1. Sonda wraca, 2. Po drodze umieszczamy „przekaźniki”. Mogą to być segmenty pozostawione po sondzie lub cyklicznie uruchamiamy jeden raz na kilka lat, aby nadążyć za sondą, tak aby cały łańcuch przemieszczał się w kierunku celu „rozwijając się” z Ziemi.
To prawda. Ale oczywiście obie opcje wiążą się z kosztami, więc szczegółowa analiza handlu musiałaby zostać przeprowadzona między zwykłym dodaniem większej mocy nadawania a dodaniem zdolności zwrotnej lub infrastruktury przekaźnikowej. Chodziło mi głównie o to, że napęd nie jest jedynym wąskim gardłem dla misji kosmicznych. Voyager 1 płynie coraz dalej w głąb krawędzi Układu Słonecznego, ale ostatecznie nie będzie miał wystarczającej mocy, aby przesłać znaczące informacje z powrotem na Ziemię.
Proponuję, abyśmy zmienili tytuł na „jakie są obecnie granice przyspieszenia sond kosmicznych”, ponieważ ograniczenie prędkości jest technicznie * prawami fizyki *, a kwestią PO jest w rzeczywistości przyspieszenie * na * prędkość.
@RhysW: Nie do końca się zgodziłbym. Mamy niezwykle potężne systemy przyspieszenia, ale działają one przez kilka minut, więc przyrost prędkości nie jest aż tak duży. Musimy sprawić, by sondy * poruszały się szybko *, nadać im dużą prędkość. Oczywiście [siła przyspieszenia * czas przyspieszenia] ogranicza tę prędkość.
Odpowiadając na tytułowe pytanie dosłownie: Jak blisko można dostać się do Słońca. MESSENGER zbliżył się dość blisko, okrążając Merkurego, a więc osiąga około 62 km / s względem Słońca, wliczając w to prędkość jego orbity wokół Merkurego, jeśli jest w tym samym kierunku. Myślę, że to tak szybko, jak wszystko, co zrobiliśmy. (Sonda Galileo nawet nie dostała się tak szybko do atmosfery Jowisza.)
Znowu ze scenariuszem „wosk do podłóg ORAZ polewa pustynna”. * Przyspieszenie * jest ograniczone w * czasie *. Powinno być lepsze słowo na określenie „iloczynu przyspieszenia i czasu!” Gdybyśmy tylko mogli pomyśleć o jednym ...
@uhoh: $ {m \ over {s ^ 2}} \ cdot s = {m \ over s} $, więc wszyscy i ich ciocia nazywają to delta-V. Po prostu nazwa nie oddaje koncepcji z komponentami. To trochę jak praca kontra energia, jedna to siła razy odległość, druga to ... różne rzeczy, ale są to dokładnie te same wielkości.
@SF. Ups, zapomniałem dodać międzynarodowy znak lekkomyślności - „:)”. Ale teraz, kiedy o nim wspomniałeś, jestem trochę zdezorientowany. OK, popracuję nad tym. Dzięki!
@uhoh: Mój punkt widzenia jest nadal aktualny. Delta-V do [czas * przyspieszenie] jest jak energia ma działać.
Łańcuch przekaźników? Czy masz na myśli pomnożenie możliwości awarii przez przekaźniki N *? Nie brzmi to dla mnie tak dobrze. Poza tym, kto wie, jakie cięcia budżetowe podżegają politycy ...
@SF. Nie wiem, jak się bardziej zgodzić! Tak tak!
Sześć odpowiedzi:
#1
+15
RhysW
2013-07-25 13:52:27 UTC
view on stackexchange narkive permalink

To częściowo te same problemy, co problem z uruchomieniem. Jeśli dodasz więcej paliwa do zbiorników paliwa rakiet, zwiększysz masę. Następnie, aby podnieść to paliwo, musisz dodać trochę więcej paliwa, aby je podnieść, i tak dalej, i tak dalej.

Podobny problem występuje z obecnym układem napędowym w sondach, ale zanim przejdę do tego, ja Zamierzam (bardzo krótko) wyjaśnić podróż w kosmos, abyśmy mogli zrozumieć problem.

Podróż w kosmos (zakładając podróżowanie w linii prostej)

Podróż w kosmos to nie to samo, co podróżowanie na lądzie. Podróż na lądzie wymaga ciągłego spalania paliwa, aby móc zastąpić prędkość utraconą w wyniku tarcia, oporu powietrza itp.

Podróż w kosmosie nie działa w ten sam sposób, nie wymaga stałej spalanie wymaga spalenia wystarczającej ilości paliwa, aby rozpędzić masę do tej początkowej prędkości, a następnie wystarczająco dużo, aby spalić się w odwrotnym kierunku, aby zwolnić w miejscu przeznaczenia.

(To nie jest pół na pół, wymaga więcej spalonego paliwa, aby przyspieszyć niż zwolnić, ponieważ część zwalniająca ma mniejszą masę, ponieważ możemy zdyskontować utracone paliwo spalone, aby przyspieszyć w pierwszym miejsce.)

Wracając do problemu

OK, więc moglibyśmy dodać więcej paliwa do sond, ale wtedy napotkamy ten sam problem, co w przypadku premiery, dodanie dodatkowego paliwa zwiększa masę, która wymaga dodatkowego paliwa do spalenia, aby rozpędzić zwiększoną masę do takich samych prędkości, jakie chcieliśmy.

Więc naprawdę, co Chcemy mieć inną metodę napędu niż istniejący proces ciekły i stały.

Jak widać tutaj, NASA ma już kilka alternatywnych pomysłów, które chcą wypróbować jako napęd, Pokrótce omówię je poniżej, na wypadek gdyby link zniknął.

Jądrowy napęd termiczny

Jądrowy napęd termiczny - podgrzewa płyn, zwykle wodór, w jądrze jądrowym o wysokiej temperaturze reaktor, który wytwarza ciąg do poruszania rakiety w kosmosie

NASA spodziewa się, że ten typ układu napędowego będzie znacznie lżejszy i skuteczniejszy w napędzaniu statków w kosmosie.

Jednak każda srebrna podszewka ma chmurę i nie jest to wyjątek. Obecnie na naszej drodze do korzystania z tego systemu stoi ogromna trudność w utrzymaniu wodoru w postaci ciekłej.

Jak widać tutaj, wodór musi być utrzymywany na poziomie 20 kelwinów, aby pozostawał w postaci płynnej. To stwarza wiele technicznych wyzwań, najpierw obniżenie temperatury do takiego poziomu, a potem znowu próba powstrzymania nagrzewania się paliwa płynnego od wysokich temperatur spalin!

I nie dajcie się zwieść, problemy techniczne związane ze stosowaniem ciekłego wodoru nie wynikają z braku prób. w rzeczywistości pomysł wykorzystania ciekłego wodoru jako paliwa istnieje od co najmniej lat pięćdziesiątych XX wieku!

Napęd oparty na plazmie

NASA bada również system napędowy oparty na plazmie o nazwie projekt VASIMR.

Pomysł polega na wykorzystaniu reaktora jądrowego (ponownie) i wodoru (ponownie) do jonizacji wodoru i wybuchu przez dyszę magnetyczną.

Oczywiście jest to bardzo trudne technicznie, ale istnieje również problem polegający na tym, że plazma musi być ekranowana magnetycznie od sprzętu statku lub powoduje erozję elektrod w samych silnikach.

(Przepraszam za brak znajomości fizyki wokół tego, jak ten bit faktycznie działa.)

Nie wspominając o tym, że potrzebowałbyś również energii do zasilania reaktorów jądrowych w każdym projekcie.

Podsumowanie”

Tak naprawdę używamy chemicznych układów napędowych, ponieważ alternatywy są drogie technologicznie i trudne. Będziemy walczyć o to, aby chemiczne układy napędowe napędzały więcej ze względu na rosnący problem paliwowy (chyba że znajdziemy bardziej wydajne paliwa). Ale tak naprawdę największym problemem nie jest napęd, ale odległość!

Na przykład stacja kosmiczna okrąża nas obecnie z prędkością około 18 000 mil na godzinę, okrążając Ziemię raz na 90 minut.

Statek kosmiczny Apollo, który poleciał na Księżyc, leciał szybciej, z prędkością około 24 000 mil na godzinę. Tego typu prędkości są nie do pomyślenia podczas podróży po Ziemi, ponieważ są setki razy szybsze niż jakikolwiek odrzutowiec.

Więc tak naprawdę mój argument opiera się na tych punktach, problemie z paliwem, braku łatwych alternatyw, koszcie paliwa, zwykłej odległości.

Żadnej wzmianki o słonecznych systemach napędowych? Oczywiście zaczynają być mniej skuteczne, gdy sonda oddala się od Słońca, ale z kolei zyskują większą skuteczność, gdy zbliżają się do innych gwiazd ...
@robguinness dobra uwaga, nie brałem tego pod uwagę, znajdę więcej informacji i edytuję je w
@robguinness, możesz argumentować, że technicznie już to robimy, Juno leci do Jowisza tylko dzięki energii słonecznej.
Tak, silniki plazmowe zasilane energią słoneczną są używane od wielu lat, zwłaszcza w satelitach komunikacyjnych HEO. Inną formą jest technologia żagli słonecznych, która wykorzystuje pęd fotonów bezpośrednio do napędzania statku kosmicznego. Jest to znacznie bardziej eksperymentalne, ale niektóre misje demonstracyjne zostały wykonane jako dowód słuszności koncepcji.
Problem temperatury wrzenia wodoru jest trudny, ale nierozwiązany. Wodór był używany jako paliwo przez długi czas, zwykle spalany z ciekłym tlenem. Używały go również promy kosmiczne.
@Linuxios, rozwiązaniem było wykorzystanie wodoru, zanim ciepło stanie się problemem. Utrzymywanie wodoru w stanie ciekłym przez godzinę jest znacznie łatwiejsze niż utrzymywanie go w stanie płynnym przez lata.
Czy wodór mógłby być przechowywany w węglowodorze, powiedzmy w metanie, i rozkładany chemicznie, aby przedostać się do silnika? Jeśli chodzi o węgiel, czy nie można go w ten sam sposób użyć jako paliwa?
#2
+5
John Bode
2016-08-25 22:17:30 UTC
view on stackexchange narkive permalink

W tej chwili głównym ograniczeniem jest to, że utknęliśmy przy użyciu napędów reakcyjnych, co oznacza, że ​​musisz zużyć masę paliwa, aby przyspieszyć statek kosmiczny. Zatem całkowite ΔV (zmiana prędkości) jest ograniczone ilością paliwa, które możesz przenosić, oraz wydajnością silników, jak określono w równaniu rakiety Ciołkowskiego.

$$ \ Delta V = 9,8 * I_ { SP} * ln (MR) $$

gdzie MR to stosunek masy

$$ MR = {M_ {statek kosmiczny} + M_ {propelent} \ ponad M_ {statek kosmiczny}} $$

Bezzałogowy statek kosmiczny Dawn używa silnika jonowego o określonym impulsie (I sp ) wynoszącym 3100 sekund, który jest obecnie najbardziej wydajnym używanym silnikiem, jaki znam . Jeśli statek kosmiczny ma swoją własną masę w paliwie ($ M_ {statek kosmiczny} = M_ {propelent} $, przy MR równym 2), oznacza to, że możemy uzyskać całkowite ΔV ~ 21057 m / s. Szybka, ale nie międzygwiezdna podróż szybko. Jeśli statek kosmiczny przenosi 9-krotność swojej masy w paliwie (MR = 10), możemy uzyskać do ~ 69953 m / s. Lepsze, ale wciąż niewystarczające do lotów międzygwiezdnych. Aby statek kosmiczny podobny do świtu osiągnął 0,01 c (~ 3 000 000 m / s), potrzebowalibyśmy stosunku masy rzędu 5,0 $ * 10 ^ {41} $. 1 sup>

Istnieje praktyczny górny limit tego, ile masy możemy wyrzucić z powierzchni Ziemi, co ogranicza ilość paliwa, które możemy wysłać statkiem kosmicznym.

Istnieją dwa sposoby obejścia tego problemu - jednym z nich jest przyspieszenie statku kosmicznego za pomocą promieniowania elektromagnetycznego skierowanego na żagiel. Istnieje projekt o nazwie Breakthrough Starshot, który chce wykorzystać naziemny bank terawatowych laserów do przyspieszenia statku kosmicznego w skali gramowej do 0,2 c (59958491 m / s) w około 10 minut. Pojawiło się również wiele pomysłów na użycie żagla z wiatrem słonecznym pochodzącym ze Słońca.

Drugim jest stworzenie prawdziwego dysku bez reakcji (takiego jak dysk Alcubierre lub EmDrive), który ma wiele problemów (między innymi to, jak omijasz zachowanie pędu i tym podobne).


  1. Fakt, że ΔV rośnie wraz z logarytmem masy Stosunek jest tym, co sprawia, że ​​równanie rakiety jest tak tyrańskie. Każdy dodany kilogram paliwa napędowego musi być przyspieszany wraz ze statkiem kosmicznym, co prowadzi do zmniejszania się zwrotów. Dlatego nie używaliśmy rakiet, aby spowolnić statek kosmiczny Apollo lub orbitery wahadłowca przed ponownym wejściem; po prostu przełożyło się na zbyt dużą masę do wystrzelenia.

#3
+4
aramis
2013-07-25 16:50:37 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Mówiąc najprościej: paliwo i wydajność napędu.

Istnieje maksymalna możliwa zmiana wektora w oparciu o obciążenie paliwem na pokładzie oraz efektywność napędu w przekształcaniu tego paliwa w zmianę wektora.

Aby przyspieszyć (co jest synonimem zmiany wektora) w określonym czasie, potrzeba określonej ilości paliwa. Całe to paliwo musi znajdować się na pokładzie i nie ma sposobu na skuteczne tankowanie podczas lotu.

Zatem paliwo i wydajność napędu łączą się, tworząc maksymalny wektor całkowity.

A wektor całkowity jest synonimem prędkości.

#4
+4
Mark Adler
2014-04-09 11:40:24 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Jest to ograniczone przez moc i gęstość laserów. koncepcja żagla laserowego omija kwestie paliwa i równania rakiety, oferując w ten sposób obietnicę najwyższych osiągalnych prędkości. Oczywiście nie byłoby to łatwe.

Niezupełnie - ani moc, ani gęstość nie mają znaczenia, ponieważ nic nie mówi, że można mieć tylko jeden laser startowy. Możesz ułożyć tyle, ile potrzebujesz, ograniczeniem jest spójność wiązki.
#5
+3
Anthony X
2014-04-09 06:13:58 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Delta-V, jaką pojazd kosmiczny może osiągnąć, zależy od równania rakiety. Sprowadza się to do proporcji całkowitej masy możliwej do wyrzucenia jako paliwo oraz prędkości tej wyrzuconej masy. Prędkość wyrzucanej masy zależy od ilości zmagazynowanej energii, którą można przekształcić w energię kinetyczną.

Rakiety chemiczne mają tylko tyle energii chemicznej zmagazynowanej w reagentach (które są również masą paliwa), które określa prędkość graniczną wyrzucanego paliwa, która narzuca górną granicę osiągalnej delta-V pojazdu.

Teoretycznie można przełączyć się na inny typ napędu, w którym masa paliwa jest wyrzucana z dużo większą prędkością. pozwalają pojazdowi osiągać znacznie większe prędkości. Oczywiście zakłada to dostępność źródła energii, które może zmagazynować znacznie więcej energii użytkowej na jednostkę masy paliwa - takiego jak energia jądrowa, i rodzi pytanie, jak przyspieszyć paliwo.

VASIMIR to jeden z przykładów technologii ciągu, która wydala swoje gazy spalinowe z dużo większą prędkością niż osiągalna w przypadku chemicznych paliw pędnych. Być może nie jest to technologia napędzająca sondę międzygwiazdową (kilka czynników wydaje się ograniczać delta-V, którą może ona zastosować do statku kosmicznego), ale inna technologia mająca na celu to samo (wydmuch z bardzo dużą prędkością) może.

Do pewnego stopnia sprowadza się to do pieniędzy - do finansowania badań i rozwoju nowych technologii napędowych. Ale sprowadza się to również do podstawowej fizyki.

#6
+2
UIDAlexD
2017-02-23 22:47:25 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Mówiąc najogólniej, silnik reakcji działa na zasadzie wyrzucania energii z tyłu, aby uzyskać ruch do przodu. Teraz, zgodnie z fizyką w szkole średniej, energia, którą otrzymujemy, aby rzucić bryłę masy (w naszym przypadku propelent), wynosi

$$ Ke = {MV ^ 2 \ over 2} $$

Zatem im szybciej wyrzucamy masę, tym więcej energii na jednostkę masy otrzymujemy. W rakietach nazywa się to prędkością spalin ($ Ve $), a jej pochodną określa się jako impuls właściwy ($ Isp $). Wyższe prędkości oznaczają lepszą wydajność, aż do absolutnej maksymalnej prędkości $ c $, w którym to momencie matematyka w liceum załamuje się i równanie zaczyna wyglądać bardziej jak $$ Ke = {MC ^ 2 \ over sqrt (1- (V / C) ^ 2)} - MC ^ 2 $$ Zwróć uwagę, jak powiedziałem Energia zamiast Masa. Fotony poruszają się z absolutną maksymalną prędkością, na jaką pozwala wszechświat, i są dlatego jest idealnym paliwem dla rakiety. Technicznie rzecz biorąc, prosta latarka jest absolutnym szczytem technologii rakietowej .... Z wyjątkiem jednej drobnej kwestii.

Podczas gdy fotony pakują maksymalną możliwą energię kinetyczną na jednostkę masy ( Jak fotony mają energię kinetyczną bez masy jest poza mną, ale tak jest. Nazwijmy to masą dla uproszczenia ), ich masa jest niezmiernie mała. Twoja latarka może być absolutnym szczytem wydajności , ale jej rzeczywisty ciąg jest praktycznie niczym. Zauważysz, że latarka w ogóle się poruszyła, zajęłoby lata, co prowadzi nas do innego problemu.

Chociaż rakieta latarki zaczęłaby się poruszać, zajęłoby to kilka lat, ale baterie zajęłyby zaledwie kilka godzin. umrzeć. Aby nadać naszej rakiecie fotonowej żywotność i moc wystarczającą do zrobienia czegokolwiek, musielibyśmy użyć małej elektrowni jądrowej do jej zasilania. Przy całej tej dodatkowej masie nasze i tak niewielkie przyspieszenie jest tłumione przez setki ton reaktora.

Technologie takie jak napędy jonowe i VASMIR napotykają podobne ograniczenia. Aby umieścić wystarczającą ilość energii w swojej masie reakcyjnej, aby była wydajna , muszą zmniejszyć przepływ paliwa do niewielkiej strużki tego, co mogłoby to być, co oznacza, że ​​mają bardzo, bardzo niski ciąg . Oprócz tego wymagają również dużych ilości prądu elektrycznego, co oznacza, że ​​stoją przed tym samym problemem, co nasza rakieta z latarką o napędzie atomowym.

Biorąc to wszystko pod uwagę, święty Graal rakiety byłby silnik o dużej sile ciągu i wysokiej wydajności. Jest tylko kilku obecnie teoretycznych pretendentów do tytułu, takich jak Zurbin NSWR lub Project Orion. Większość z nich, jeśli nie wszystkie, ma dość poważne wady, a ponieważ jeden z nich wiąże się z użyciem broni jądrowej do napędu , jest mało prawdopodobne, aby w najbliższym czasie otrzymano finansowanie.



To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 3.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...