Frage:
Könnte ein komplexes System von Reaktionsrädern verwendet werden, um ein Raumschiff anzutreiben?
SentiCarter
2019-08-29 22:09:23 UTC
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Ich habe über verschiedene Möglichkeiten nachgedacht, wie sich Raumfahrzeuge bewegen können, und bin auf Reaktionsräder gestoßen, um sie drehen zu können. Ich war also neugierig, ob ein komplexes System von ihnen verwendet werden könnte, um ein großes Raumschiff vorwärts und rückwärts zu treiben, anstatt sich an Ort und Stelle zu drehen. Es könnte eine Möglichkeit sein, innerhalb eines kleinen Bereichs (um einen POI herum oder um dessen Umlaufbahn herum zu manövrieren) und dabei mehr Energie zu sparen als High-Tech-Antriebssysteme.

* Ich bin nicht sehr gut mit Physik vertraut, bitte verzeihen Sie ich, wenn dies sehr außerhalb des Parks ist.

Kurze Antwort: Nein. Eine längere Antwort ist, dass sich der Schwerpunkt im Raum mit der Geschwindigkeit bewegt, die er hat. Um diese Geschwindigkeit (Geschwindigkeit oder Richtung) zu ändern, müssen Sie eine Masse ausstoßen oder den Lichtimpuls auf irgendeine Weise nutzen. Reaktionsräder können dich also drehen, aber deine Geschwindigkeit nicht ändern.
Check out https://en.wikipedia.org/wiki/Reactionless_drive "Es wurde nie festgestellt, dass ein rotierendes (oder ein anderes) mechanisches Gerät einen unidirektionalen reaktionslosen Schub im freien Raum erzeugt."
Drehimpuls ist additiv. Jedes komplexe System von Reaktionsrädern kann durch ein einfacheres, größeres System ersetzt werden.
Der Vibrator eines Mobiltelefons bewegt das Mobiltelefon leicht vor und zurück. Im Prinzip könnten Sie etwas besser machen und das Objekt fast so weit bewegen, wie das Objekt groß ist - aber nicht mehr, weil Sie den Schwerpunkt nicht auf diese Weise bewegen können und der Schwerpunkt immer hat irgendwo im Objekt sein. (In der Praxis denke ich aus technischer Sicht, dass das Beste, was Sie realistisch tun können, darin besteht, das Raumschiff zum Vibrieren zu bringen.)
Sie könnten ein rotierendes Rad verwenden, um etwas Treibmittel zu beschleunigen und es auszuwerfen. Dies vermeidet die Probleme, die mit den hohen Temperaturen der üblichen Raketentriebwerke verbunden sind.
@HarryJohnston Ein vibrierendes Telefon im Weltraum würde sich lediglich um seinen Massenschwerpunkt drehen. Wenn es auf einem Tisch sitzt, wirkt es auf andere Kräfte (d. H. Die unvollständige elastische Reaktion des Tisches), die es seinem Schwerpunkt ermöglichen, sich zu bewegen.
Diese Idee klingt ein bisschen wie der [Dean Drive] (https://en.wikipedia.org/wiki/Dean_drive)
@CJDennis, ja, aber die Tatsache, dass sich der Schwerpunkt nicht bewegen kann, bedeutet nicht, dass sich der Rest des Objekts nicht darum bewegen kann. Als extremes Beispiel betrachten wir eine leichte Kugelschale, die durch einziehbare Linien mit einer viel schwereren und viel kleineren Kugel verbunden ist - das Objekt als Ganzes könnte sich von seiner ursprünglichen Position in jede Richtung bewegen, fast bis zu seinem Radius. Vom technischen Standpunkt aus kein nützliches Design, aber die Physik ist solide.
@HarryJohnston Das passt nicht in eine Definition von "Antrieb", die ich kenne.
@CJDennis, Ich wollte nicht vorschlagen, dass es so ist. Anscheinend war mein ursprünglicher Kommentar nicht so klar, wie ich gehofft hatte. Der Punkt ist, dass, während Sie sich auf diese Weise bewegen können, die Bewegung extrem umschrieben und überhaupt nicht nützlich ist.
@zeta-band Warum schreibst du deine Antworten in den Kommentarbereich?
Hat nicht das FBI oder die CIA versucht, auf diese Weise eine fliegende Untertasse mit Antrieb herzustellen?
Übrigens, wenn Sie den Treibstoff eines herkömmlichen Raketenteils der Rakete berücksichtigen, bewegt sich der Schwerpunkt dieser Rakete beim Starten des Motors im freien Fall überhaupt nicht. Es kann nicht.
Zwei antworten:
Tom Spilker
2019-08-29 23:03:57 UTC
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Zuvor veröffentlichte Kommentare sind korrekt: Im freien Raum (angenommen frei von den Schwerefeldern anderer Körper) gibt es keine Möglichkeit, die Winkelbewegung der Reaktionsräder in eine Translationsbewegung umzuwandeln.

Es gibt einen ironischen Weg: Werfen Sie ein Reaktionsrad vom Raumschiff in die entgegengesetzte Richtung des gewünschten Delta-V! ;-)

Wenn Sie die Freiraumannahme aufgeben und nicht sphärische Gravitationskörper in der Nähe des Raumfahrzeugs zulassen, ist es möglich , durch Drehen des Raumfahrzeugs zur richtigen Zeit und mit der richtigen Geschwindigkeit Gezeiten zu bekommen Kräfte vom Gravitationskörper übertragen dem Raumschiff ein wirklich winziges Delta-V.

Ich war lange fasziniert von der Frage [Könnte ein Satellit in LEO die Massenverteilung „pumpen“ oder ändern, um Vorwärtsdynamik zu gewinnen?] (Https://space.stackexchange.com/q/31620/12102) und ich denke, Ihre Erwähnung "* wirklich winziges * Delta-V" spricht dies auf irgendeine Weise an. Kennen Sie einen Ort, an dem ich weiter lesen könnte, wie man das Raumschiff "zur richtigen Zeit und mit der richtigen Geschwindigkeit" dreht, um dies zu maximieren? Etwas mit einigen grundlegenden Gleichungen? Es gab eine Zeit, in der ich wusste, wie man einen Lagrange für ein dynamisches System aufschreibt, aber diese Zeit ist längst vorbei ...
@uhoh Genau so bewegt sich der Mond von der Erde weg. Während der Mond umkreist, stören Gezeitenkräfte die Form jedes Körpers und bewegen so ihre Massenschwerpunkte. Da sich das Erde-Mond-System in einem gezeitengesperrten Resonanzsystem befindet, ist der Effekt nicht zufällig oder chaotisch, sondern überträgt Rotationsenergie von der Erde in Orbitalenergie im Mond: Die Erdrotation verlangsamt sich und die Umlaufbahn des Mondes beschleunigt sich ( was bedeutet, dass es sich wegbewegt).
@OscarBravo Es befindet sich definitiv im gleichen allgemeinen Satz von Gleichungen, aber ich bin mehr daran interessiert herauszufinden, wie ein "artikulierter Mond", der seine eigene Form oder zumindest sein eigenes Quadrupolmoment modifizieren könnte, das Timing und die Wellenform des genannten Gleichgewichts optimieren würde Modulation, um die Steiggeschwindigkeit mit dem Quadrupolmoment der Erde (J2) zu maximieren.
@OscarBravo: Ich gehe davon aus (da dies ein beständiger Einfluss ist), dass die Umlaufbahn des Mondes konzentrisch anstieg (d. H. Nicht elliptischer wird). Bedeutet das, dass dieser Effekt irgendwann nachlässt, wenn der Mond höher umkreist als zuvor? Oder wird es immer weiter klettern, bis es die Erde endgültig hinter sich lässt?
@uhoh Scott Manly hat ein älteres Video zum Kerbal Space Program, in dem die Übertragung von Kraftstoff von einem großen Tank in einen anderen gleich großen Tank die Übersetzung ermöglichte. Er scherzte, dass dies eine billige, wenn auch langsame und mühsame Art wäre, zu anderen Planeten zu reisen, aber ich bin mir ziemlich sicher, dass ich mich auf KSPs ... unbekümmerte Herangehensweise an die Physik beschränke. :) :)
@OscarBravo-Regeln ändern sich auf Makroebene definitiv im Vergleich zum Mikro
@uhoh Hier ein Beispiel: Ein grob hantelförmiges Raumschiff, dessen Masse in den Kugeln der Hantel konzentriert ist, fliegt an einem abgeflachten Planeten auf einer polaren Umlaufbahn vorbei, mit Periapsis am Äquator des Planeten. Auf dem ankommenden Bein dreht sich das Raumfahrzeug so, dass die Längsachse (d. H. Die Achse, die durch die Zentren der Kugeln verläuft) auf die äquatoriale Ausbuchtung zeigt. In dieser Ausrichtung ist die Anziehungskraft der Gravitation * geringfügig * größer als wenn die Achse 90 ° von dieser Ausrichtung entfernt wäre. Es zeigt diese Kugel so lange auf die Ausbuchtung, bis sie direkt darüber liegt, und dreht sich dann um 90 ° ...
@uhoh ... um die beiden Kugeln in gleichem Abstand von der äquatorialen Ausbuchtung zu platzieren. Für das ausgehende Bein ist die Gravitationskraft * geringfügig * geringer als in der eingehenden Ausrichtung, sodass die ausgehende Verzögerung * geringfügig * geringer als die eingehende Beschleunigung ist und das Raumschiff eine winzige Menge Delta-V aufgenommen hat . Das Momentum bleibt jedoch erhalten: Der asymmetrische Durchgang verlieh dem Planeten auch etwas Delta-V. Aber wenn das Delta-V des Raumfahrzeugs * winzig * ist, ist das Delta-V des Planeten winzig! Im Gegensatz zu einem normalen symmetrischen hyperbolischen Vorbeiflug ändert dieser Vorbeiflug die v-Unendlichkeit.
@TomSpilker okay, ich werde dies nach meiner zweiten Tasse Kaffee auf Papier (oder Python) bearbeiten. Ich werde * beide Gehirnzellen * für diese brauchen. Danke für das Szenario!
@LuxClaridge Ja; Das Problem ist, dass bei KSP das Herumpumpen von Kraftstoff den Schwerpunkt ändert, ohne das Fahrzeug tatsächlich zu bewegen. Im wirklichen Leben bewegt sich der Schwerpunkt nicht.
Roko Mijic
2019-08-30 02:54:38 UTC
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Nein, es handelt sich um einen Lehrbuchfall zur Erhaltung des linearen Impulsvektors ohne äußere Kräfte.

Linearer Impuls eines Systems Summe (mv) ist eine konservierte Größe, selbst wenn einzelne Teile zulässig sind um ihre Impulsvektoren zu ändern.

Tatsächlich erhalten Reaktionsräder auch den Drehimpuls des Gesamtsystems (Schiff + Rad)! Aber das ist okay, weil Sie das sich drehende Reaktionsrad im Schiff lassen können. Es ist auch so, dass die Winkelposition (Ausrichtung) nicht erhalten bleibt, sodass Sie sich mit einem Reaktionsrad im Weltraum drehen können und sich das Reaktionsrad am Ende des Prozesses nicht dreht.



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