Frage:
Was begrenzt derzeit die Geschwindigkeit von Raumsonden?
SF.
2013-07-25 13:03:24 UTC
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... natürlich anders als das Budget.

Unsere Computer sind heutzutage gut genug, um eine Sonde an ein Nachbarsternsystem und zurück zu senden und einige ziemlich gute Analyseberichte zu erhalten. Wir haben Batterien, die hundert Jahre überleben würden, bevor die Selbstentladung sie unbrauchbar macht, und Medien, um die gesammelten Daten noch lange danach aufzubewahren. Die derzeitige Straßensperre scheint die Geschwindigkeit der Sonden zu sein - es würde viel länger dauern, bis sie so weit sind, als unsere Geräte funktionsfähig überleben könnten. Wir brauchen einen besseren Antrieb, um die Ergebnisse in einem angemessenen Zeitrahmen zu erhalten.

Lassen Sie mich zunächst die Frage sehr kurz und unkonstruktiv stellen: Warum haben wir keinen besseren Antrieb? P. >

Nun zu etwas weniger Subjektivem: Gegen welche Hindernisse kämpfen die Wissenschaftler derzeit, um den Antrieb unserer Sonden zu schwach zu halten, um praktisch an Missionen außerhalb des Sonnensystems zu denken? Gibt es vernünftige Vorhersagen oder Projekte für Antriebssysteme, die das, was wir haben, erheblich verbessern würden? Oder ist es nur Budget? Geben Sie ihm einen Kraftstofftank, der groß genug ist und so schnell fliegt, wie wir es wünschen? Oder gibt es andere Überlegungen wie die Sicherheit im Nuklearbereich?

Beachten Sie neben dem Problem des Antriebs, dass der Kommunikationskanal umso größer ist, je weiter Sie hinausgehen. Für den Rückkanal (d. H. Sonde zur Erde) bedeutet dies, dass entweder die Sonde mit mehr Leistung senden muss oder der Empfänger auf der Erde größer und besser sein muss. Vereinfacht ausgedrückt wird die pro Kommunikationsbit benötigte Energiemenge zu einem Engpass (ich glaube, sie wächst ungefähr um r ^ 2).
@robguinness: Dafür gibt es zwei Lösungen: 1. Die Sonde kommt zurück, 2. Wir platzieren "Relais" auf dem Weg. Dies können entweder Segmente sein, die nach der Sonde übrig bleiben, oder wir können alle paar Jahre zyklisch ein Segment starten, um mit der Sonde Schritt zu halten, sodass sich die gesamte Kette in Richtung des von der Erde "abrollenden" Ziels bewegt.
Das ist wahr. Da beide Optionen natürlich Kosten verursachen, müsste eine detaillierte Handelsanalyse zwischen dem Hinzufügen von einfach mehr Sendeleistung und dem Hinzufügen von entweder Rückgabefähigkeit oder einer Relaisinfrastruktur durchgeführt werden. Mein Punkt war hauptsächlich, dass der Antrieb nicht der einzige Engpass für Weltraummissionen ist. Voyager 1 bewegt sich immer weiter in die Ränder des Sonnensystems hinein, hat aber schließlich nicht genug Energie, um aussagekräftige Informationen zurück zur Erde zu übertragen.
Ich schlage vor, wir ändern den Titel in "Was sind die Grenzen der Beschleunigung von Raumsonden derzeit", da die Geschwindigkeitsbegrenzung technisch * den Gesetzen der Physik * entspricht. Das Problem des OP ist tatsächlich die Beschleunigung * auf * eine Geschwindigkeit.
@RhysW: Ich würde nicht ganz zustimmen. Wir haben extrem leistungsstarke Beschleunigungssysteme, die jedoch minutenlang arbeiten, sodass der Geschwindigkeitsgewinn nicht allzu groß ist. Wir müssen die Sonden * schnell bewegen * und ihnen hohe Geschwindigkeit geben. Offensichtlich begrenzt die [Stärke der Beschleunigung * Zeit der Beschleunigung] diese Geschwindigkeit.
Um die Titelfrage wörtlich zu beantworten: Wie nah können Sie der Sonne kommen. MESSENGER ist durch die Umlaufbahn von Merkur ziemlich nahe gekommen und erreicht so ungefähr 62 km / s relativ zur Sonne, einschließlich der Geschwindigkeit seiner Umlaufbahn um Merkur, wenn und wann dies in die gleiche Richtung geht. Ich denke, das ist so schnell wie alles, was wir gemacht haben. (Die Galileo-Sonde gelangte nicht einmal so schnell in Jupiters Atmosphäre.)
Wieder mit dem Szenario "Bodenwachs UND Wüstenbelag". Die * Beschleunigung * ist in * Zeit * begrenzt. Es sollte ein besseres Wort für "das Produkt aus Beschleunigung und Zeit" geben! Wenn wir nur an einen denken könnten ...
@uhoh: $ {m \ over {s ^ 2}} \ cdot s = {m \ over s} $ und so nennt jeder und seine Tante das Delta-V. Es ist nur so, dass der Name das Konzept mit den Komponenten nicht erfasst. Es ist ein bisschen wie Arbeit gegen Energie, eines ist Kraft mal Distanz, das andere ist ... verschiedene Dinge, aber sie sind genau die gleiche Menge.
@SF. Hoppla, ich habe vergessen, das internationale Zeichen für Leichtsinn hinzuzufügen - das ":)". Aber jetzt, wo Sie es erwähnen, bin ich doch ein wenig verwirrt. OK, ich werde daran arbeiten. Vielen Dank!
@uhoh: Mein Punkt steht noch. Delta-V zu [Zeit * Beschleunigung] ist wie Energie zu arbeiten.
Eine Relaiskette? Meinen Sie damit, die Ausfallmöglichkeiten mit N * -Relais zu multiplizieren? Klingt für mich nicht so gut. Und wer weiß, welche Budgetkürzungspolitiker ...
@SF. Ich weiß nicht, wie ich mehr zustimmen soll! Yep Yep!
Sechs antworten:
#1
+15
RhysW
2013-07-25 13:52:27 UTC
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Es sind teilweise dieselben Probleme wie beim Startproblem. Wenn Sie mehr Treibstoff in die Treibstofftanks der Raketen einfüllen, erhöhen Sie die Masse. Um diesen Kraftstoff anzuheben, müssen Sie etwas mehr Kraftstoff hinzufügen, um diesen Kraftstoff anzuheben, und so weiter und so fort.

Ein ähnliches Problem besteht beim aktuellen Antriebssystem der Sonden, aber bevor ich darauf eingehe Ich werde (sehr kurz) das Reisen im Weltraum erklären, damit wir das Problem verstehen können.

Reisen im Weltraum (vorausgesetzt, wir reisen in einer geraden Linie)

Reisen im Weltraum sind nicht dasselbe wie Reisen an Land. Reisen an Land erfordern das ständige Verbrennen von Kraftstoff, um die durch Reibung, Luftwiderstand usw. verlorene Geschwindigkeit ersetzen zu können.

Reisen im Weltraum funktionieren nicht auf die gleiche Weise, es ist keine Konstante erforderlich Beim Brennen müssen Sie genug Kraftstoff verbrennen, um die Masse auf diese Anfangsgeschwindigkeit zu bringen, und dann genug, um rückwärts zu brennen und sich am Ziel zu verlangsamen.

(Das ist nicht halb und halb, es erfordert mehr verbrannten Kraftstoff zum Beschleunigen als zum Verlangsamen, da der verlangsamte Teil weniger Masse hat, weil wir den verlorenen Kraftstoff, der zum Beschleunigen im ersten Teil verbrannt wird, diskontieren können Ort.)

Zurück zum Problem

Ok, damit wir einfach mehr Kraftstoff zu den Sonden hinzufügen können, aber dann wir Wenn Sie auf das gleiche Problem wie beim Start stoßen, wird durch Hinzufügen von zusätzlichem Kraftstoff zusätzliche Masse hinzugefügt, für deren Verbrennung zusätzlicher Kraftstoff erforderlich ist, um die erhöhte Masse auf die von uns gewünschten Geschwindigkeiten zu bringen.

Also wirklich was Wir wollen eine andere Antriebsmethode als den bestehenden flüssigen und festen Prozess.

Wie Sie hier sehen können, hat die NASA bereits einige alternative Ideen, die sie für den Antrieb ausprobieren möchten. Ich werde sie unten kurz behandeln, falls der Link stirbt.

Kernwärmeantrieb

Kernwärmeantrieb - Erhitzt eine Flüssigkeit, normalerweise Wasserstoff, in einem Hochtemperaturkern Reaktor, der Schub erzeugt, um die Rakete im Weltraum zu bewegen

Die NASA erwartet, dass diese Art von Antriebssystem viel leichter und effizienter ist, um Schiffe im Weltraum anzutreiben.

Jeder Silberstreifen hat jedoch eine Wolke, und dies ist keine Ausnahme. Was uns derzeit bei der Verwendung dieses Systems im Wege steht, ist die extreme Schwierigkeit, Wasserstoff in flüssiger Form zu halten.

Wie Sie hier sehen können, muss Wasserstoff bei 20 Kelvin gehalten werden, um in flüssiger Form zu bleiben. Dies bringt viele technische Herausforderungen mit sich, zuerst um die Temperatur auf ein solches Niveau zu senken, dann wieder, wenn versucht wird, zu verhindern, dass sich der flüssige Kraftstoff von den hohen Temperaturen des Abgases erwärmt!

Und täuschen Sie sich nicht, Die technischen Probleme bei der Verwendung von flüssigem Wasserstoff liegen nicht im Mangel an Versuchen. Tatsächlich gibt es die Idee, flüssigen Wasserstoff als Kraftstoff zu verwenden, seit mindestens den 1950er Jahren!

Antrieb auf Plasmabasis

Die NASA untersucht auch ein plasmabasiertes Antriebssystem namens Projekt VASIMR.

Die Idee ist, einen Kernreaktor (wieder) und Wasserstoff (wieder) zu verwenden, um Wasserstoff und Explosion zu ionisieren Dies geschieht natürlich durch eine magnetische Düse.

Natürlich ist dies eine sehr technische Herausforderung, aber es gibt auch das Problem, dass das Plasma von der Hardware des Schiffes magnetisch abgeschirmt werden muss, oder es verursacht Elektrodenerosion in den Motoren selbst.

(Entschuldigen Sie meine mangelnden Kenntnisse der Physik darüber, wie dieses Bit tatsächlich funktioniert.)

Ganz zu schweigen davon, dass Sie auch Energie benötigen würden, um die Kernreaktoren in jedem Design anzutreiben.

Fazit

Wir verwenden also wirklich Antriebssysteme auf chemischer Basis, da die Alternativen technologisch teuer und schwierig sind. Wir werden uns bemühen, die chemischen Antriebssysteme aufgrund des sich vermehrenden Kraftstoffproblems stärker anzutreiben (es sei denn, wir finden effizientere Kraftstoffe). Aber das größte Problem ist nicht so sehr der Antrieb, sondern die Entfernung!

Zum Beispiel umkreist uns die Raumstation derzeit mit ungefähr 18.000 Meilen pro Stunde und umkreist die Erde alle 90 Minuten.

Das Apollo-Raumschiff, das zum Mond flog, bewegte sich schneller als das, mit 24.000 Meilen pro Stunde. Diese Geschwindigkeit ist für Reisen auf der Erde unvorstellbar und hunderte Male schneller als jeder Jet.

Mein Argument beruht also wirklich auf diesen Punkten, dem Kraftstoffproblem, dem Mangel an einfachen Alternativen, den Kraftstoffkosten und der Entfernung.

Keine Erwähnung von solarbasierten Antriebssystemen? Natürlich werden sie weniger effektiv, wenn sich die Sonde von der Sonne entfernt, aber sie gewinnen wiederum mehr Wirksamkeit, wenn sie sich anderen Sternen nähern ...
@robguinness guter Punkt, das hatte ich nicht berücksichtigt, ich werde weitere Informationen finden und sie bearbeiten
@robguinness Sie könnten argumentieren, dass wir es technisch bereits tun, Juno wird nur durch Solarenergie jupiter, wie ich höre
Ja, solarbetriebene Plasma-Triebwerke werden seit vielen Jahren eingesetzt, insbesondere in HEO-Kommunikationssatelliten. Eine andere Form ist die Sonnensegeltechnologie, die den Impuls von Photonen direkt nutzt, um ein Raumschiff anzutreiben. Dies ist viel experimenteller, aber einige Demonstrationsmissionen wurden als Proof of Concept geflogen.
Das Problem des Wasserstoffsiedepunkts ist schwer, aber nicht ungelöst. Wasserstoff wird seit langer Zeit als Brennstoff verwendet und verbrennt normalerweise mit flüssigem Sauerstoff. Die Space Shuttles haben es auch benutzt.
@Linuxios, Die Lösung bestand darin, den Wasserstoff zu verbrauchen, bevor Wärme zum Problem wird. Wasserstoff eine Stunde lang flüssig zu halten ist viel einfacher als ihn jahrelang flüssig zu halten.
Könnte der Wasserstoff in einem Kohlenwasserstoff, beispielsweise Methan, gespeichert und chemisch zersetzt werden, um dem Motor zugeführt zu werden? Könnte der Kohlenstoff nicht auf die gleiche Weise auch als Treibmittel verwendet werden?
#2
+5
John Bode
2016-08-25 22:17:30 UTC
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Im Moment besteht die Hauptgrenze darin, dass wir keine Reaktionsantriebe verwenden, was bedeutet, dass Sie Treibstoffmasse aufwenden müssen, um das Raumschiff zu beschleunigen. Ihr Gesamt-ΔV (Geschwindigkeitsänderung) ist also durch die Menge an Treibmittel, die Sie transportieren können, und den Wirkungsgrad Ihrer Triebwerke begrenzt, wie in der Tsiolkovsky-Raketengleichung

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

wobei MR das Massenverhältnis

$$ MR = {M_ {Raumschiff} + M_ {Treibmittel} \ über M_ {Raumschiff}} ist $$

Das unbemannte Raumschiff Dawn verwendet eine Ionen-Engine mit einem bestimmten Impuls (I sp sub>) von 3100 Sekunden. Dies ist derzeit die effizienteste Engine, die mir bekannt ist . Wenn das Raumfahrzeug seine eigene Treibstoffmasse trägt ($ M_ {Raumfahrzeug} = M_ {Treibmittel} $, für einen MR von 2), bedeutet dies, dass wir ein Gesamt-ΔV von ~ 21057 m / s erhalten können. Schnell, aber nicht interstellar schnell reisen. Wenn das Raumschiff das 9-fache seiner Treibstoffmasse trägt (MR = 10), können wir bis zu ~ 69953 m / s erreichen. Besser, aber immer noch nicht gut genug für den interstellaren Flug. Damit ein Dawn-ähnliches Raumschiff 0,01 c (~ 3.000.000 m / s) erreicht, benötigen wir ein Massenverhältnis in der Größenordnung von 5,0 * 10 ^ {41} $. 1 sup>

Es gibt eine praktische Obergrenze dafür, wie viel Masse wir von der Erdoberfläche starten können, was die Menge an Treibmittel einschränkt, die wir mit dem Raumschiff senden können.

Es gibt zwei Möglichkeiten, um das Problem zu umgehen: Eine besteht darin, das Raumschiff mithilfe von EM-Strahlung gegen ein Segel zu beschleunigen. Es gibt ein Projekt namens Breakthrough Starshot, bei dem eine bodengestützte Bank von Terawattlasern verwendet werden soll, um ein Raumschiff im Gramm-Maßstab auf 0,2 c (59958491 m / s) in der Welt zu beschleunigen Raum von etwa 10 Minuten. Es gab auch zahlreiche Ideen, ein Segel mit dem Sonnenwind von der Sonne zu verwenden.

Das andere besteht darin, ein echtes reaktionsloses Laufwerk (wie das Alcubierre-Laufwerk oder das EmDrive) zu erstellen, das eine Reihe von Problemen aufweist (nicht zuletzt wie Sie umgehen die Impulserhaltung und ähnliche Dinge.


  1. Die Tatsache, dass ΔV mit dem Logarithmus der Masse steigt Verhältnis ist das, was die Raketengleichung so tyrannisch macht. Jedes kg Treibmittel, das Sie hinzufügen, muss zusammen mit dem Raumschiff beschleunigt werden, was zu sinkenden Erträgen führt. Deshalb haben wir keine Raketen eingesetzt, um das Apollo-Raumschiff oder die Shuttle-Orbiter vor dem Wiedereintritt zu verlangsamen. es wurde einfach zu viel Masse, um es zu starten. ol>

    sup>

#3
+4
aramis
2013-07-25 16:50:37 UTC
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Einfach ausgedrückt: Kraftstoff- und Antriebseffizienz.

Abhängig von der Kraftstoffmenge an Bord und der Effizienz des Antriebs bei der Umwandlung dieses Kraftstoffs in eine Vektoränderung ist eine maximale Menge an Vektoränderungen möglich.

Um für eine bestimmte Zeit zu beschleunigen (was ein Synonym für Vektoränderung ist), ist eine festgelegte Kraftstoffmenge erforderlich. Der gesamte Treibstoff muss an Bord sein, und es gibt keine Möglichkeit, im Flug effektiv zu tanken.

Der Kraftstoff und die Antriebseffizienz ergeben zusammen einen maximalen Gesamtvektor.

Und der Gesamtvektor ist ein Synonym für Geschwindigkeit.

#4
+4
Mark Adler
2014-04-09 11:40:24 UTC
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Es ist begrenzt, wie leistungsfähig und dicht wir Laser herstellen können. Ein Lasersegelkonzept umgeht die Probleme des Treibmittels und der Raketengleichung und verspricht so die höchsten erreichbaren Geschwindigkeiten. Natürlich wäre es nicht einfach.

Nicht ganz - weder Leistung noch Dichte spielen tatsächlich eine Rolle, denn nichts sagt, dass Sie nur einen Startlaser haben können. Sie können so viele stapeln, wie Sie benötigen. Die Grenze liegt in der Strahlkohärenz.
#5
+3
Anthony X
2014-04-09 06:13:58 UTC
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Das Delta-V, das ein Raumfahrzeug erreichen kann, hängt von der Raketengleichung ab. Es kommt auf den Anteil der Gesamtmasse an, die als Treibmittel ausgestoßen werden kann, und auf die Geschwindigkeit dieser ausgestoßenen Masse. Die Geschwindigkeit der ausgestoßenen Masse hängt von der Menge der gespeicherten Energie ab, die in kinetische Energie umgewandelt werden kann. Chemische Raketen haben nur so viel chemische Energie in den Reaktanten (die auch die Treibstoffmasse sind), die bestimmt die Grenzgeschwindigkeit des ausgestoßenen Treibmittels, die dem erreichbaren Delta-V des Fahrzeugs eine Obergrenze auferlegt.

Das Umschalten auf einen anderen Antriebstyp, bei dem die Treibmittelmasse mit einer viel höheren Geschwindigkeit ausgestoßen wird, kann theoretisch erfolgen einem Fahrzeug erlauben, viel höhere Geschwindigkeiten zu erreichen. Natürlich setzt es die Verfügbarkeit einer Energiequelle voraus, die viel mehr nutzbare Energie pro Einheit Brennstoffmasse speichern kann - wie z. B. Kernkraft - und wirft die Frage auf, wie das Treibmittel beschleunigt werden kann.

VASIMIR ist ein Beispiel für eine Schubtechnologie, bei der das Abgas mit einer weitaus höheren Geschwindigkeit ausgestoßen wird, als dies mit chemischen Treibmitteln möglich ist. Es ist möglicherweise nicht die Technologie, eine interstellare Sonde anzutreiben (mehrere Faktoren scheinen das Delta-V zu begrenzen, das sie auf ein Raumschiff anwenden könnte), aber eine andere Technologie, die darauf abzielt, dasselbe zu tun (sehr schnelles Abgas), könnte dies tun.

Bis zu einem gewissen Grad kommt es auf das Geld an - die Erforschung und Entwicklung neuer Antriebstechnologien zu finanzieren. Es kommt aber auch auf die Grundphysik an.

#6
+2
UIDAlexD
2017-02-23 22:47:25 UTC
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Im Allgemeinen wirft eine Reaktionsmaschine Energie aus dem Rücken, um sich nach vorne zu bewegen. Laut der Physik der High School beträgt die Energie, die wir zum Werfen eines Massenstücks (in unserem Fall Treibmittel) erhalten,

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

Je schneller wir die Masse wegwerfen, desto mehr Energie pro Masseneinheit erhalten wir. In der Raketentechnik wird dies als Abgasgeschwindigkeit ($ Ve $) bezeichnet, wobei eine abgeleitete Größe als spezifischer Impuls ($ Isp $) bezeichnet wird. Höhere Geschwindigkeiten bedeuten eine bessere Effizienz bis zur absoluten Maximalgeschwindigkeit von $ c $. An diesem Punkt bricht die Mathematik der High School zusammen und die Gleichung sieht eher aus wie $$ Ke = {MC ^ 2 \ over sqrt (1- (V. / C) ^ 2)} - MC ^ 2 $$ Beachten Sie, wie ich Energie anstelle von Masse sagte. Photonen bewegen sich mit der absoluten Maximalgeschwindigkeit, die das Universum zulässt und sind daher das perfekte Treibmittel für eine Rakete. Technisch gesehen ist eine einfache Taschenlampe die absolute Spitze der Raketentechnologie ... Abgesehen von einem winzigen Problem.

Während Photonen die maximal mögliche kinetische Energie pro Masseneinheit packen ( Wie Photonen kinetische Energie haben ohne Masse zu haben ist mir ein Rätsel, aber sie tun es. Nennen wir es der Einfachheit halber Masse ), ihre Masse ist unermesslich klein. Ihre Taschenlampe ist vielleicht der absolute Höhepunkt von Effizienz , aber ihr tatsächlicher Schub ist praktisch nichts. Es würde Jahre dauern, bis Sie bemerken, dass sich Ihre Taschenlampe überhaupt bewegt hat, was uns zu einem anderen Problem führt.

Während es Jahre dauern würde, bis sich Ihre Taschenlampenrakete in Bewegung setzt, würden die Batterien nur Stunden brauchen sterben. Um unserer Photonenrakete die Lebensdauer und Kraft zu geben, um überhaupt etwas zu tun, müssten wir ein kleines Kernkraftwerk verwenden, um sie zu befeuern. Mit all dieser zusätzlichen Masse wird unsere ohnehin winzige Beschleunigung durch Hunderte Tonnen Reaktor gequetscht.

Technologien wie Ionenantriebe und VASMIR unterliegen ähnlichen Einschränkungen. Um genügend Energie in ihre Reaktionsmasse einzubringen, um effizient zu sein, müssen sie den Treibmittelfluss auf ein winziges Rinnsal reduzieren, was bedeuten könnte, dass sie einen sehr, sehr geringen Schub haben . Darüber hinaus benötigen sie auch große Mengen an elektrischem Strom, was bedeutet, dass sie vor dem gleichen Problem stehen wie unsere Taschenlampenrakete mit Atomantrieb.

In Anbetracht all dessen wäre der heilige Gral der Raketentechnik ein Motor mit hohem Schub und hohem Wirkungsgrad. Es gibt nur wenige derzeit theoretische Kandidaten für den Titel, wie das Zurbin NSWR oder das Project Orion. Die meisten, wenn nicht alle von ihnen haben einige ziemlich schwerwiegende Nachteile, und da einer von ihnen den Einsatz von Atomwaffen zum Antrieb beinhaltet, ist es unwahrscheinlich, dass sie bald finanziert werden.



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