Kysymys:
Mikä rajoittaa avaruuskoettimien nopeutta tällä hetkellä?
SF.
2013-07-25 13:03:24 UTC
view on stackexchange narkive permalink

... tietysti muu kuin budjetti.

Tietokoneemme ovat nykyään riittävän hyviä, jotta meidän pitäisi pystyä lähettämään koetin naapuritähtijärjestelmään ja takaisin, ja saamaan melko hyviä analyysiraportteja. Meillä on paristoja, jotka kestävät sata vuotta ennen kuin itsepurkautuminen tekee niistä hyödyttömiä, ja tiedotusvälineitä pitämään kerätyt tiedot kauan sen jälkeen. Nykyinen tiesulku näyttää olevan koettimien nopeus - sen saavuttaminen kestää kauemmin kuin mikään laitteistamme voisi selviytyä toimintakunnossa. Tarvitsemme paremman käyttövoiman saadaksemme tulokset kohtuullisessa ajassa.

Saanen kysyä ensin kysymystä hyvin lyhyellä ja ei-rakentavalla tavalla: Miksi meillä ei ole parempaa käyttövoimaa?

Nyt jotain vähemmän subjektiivista: Mitä tiesulkuja tutkijat tällä hetkellä kamppailevat, mikä pitää koettimien käyttövoiman liian heikkona ajatellakseen käytännössä aurinkokunnan ulkopuolisia tehtäviä? Onko olemassa järkeviä ennusteita tai propulsiojärjestelmien hankkeita, jotka parantaisivat huomattavasti sitä, mitä meillä on? Vai onko se vain budjetti? Anna sille riittävän iso polttoainesäiliö ja se lentää niin nopeasti kuin haluamme? Vai onko ydinvoiman yhteydessä muita näkökohtia, kuten turvallisuutta?

Käyttövoimaongelman lisäksi pidä mielessä, että mitä kauemmas menet ulos, sitä enemmän polku menetetään viestintäkanavalle. Paluukanavaa (eli anturia maapallolle) varten tämä tarkoittaa, että joko anturin on lähetettävä suuremmalla teholla, tai maapallon vastaanottimen on oltava suurempi ja parempi. Yksinkertaistetusti sanottuna tarvittavasta energiamäärästä tiedonsiirtobittiä kohti tulee pullonkaula (uskon, että se kasvaa karkeasti r ^ 2: lla).
@robguinness: Tähän on kaksi ratkaisua: 1. Koetin palaa takaisin, 2. asetamme "releet" matkalle. Ne voivat olla joko koettimen jälkeen jäljelle jääneitä segmenttejä tai voimme käynnistää syklisesti yhden muutaman vuoden välein pysyäksemme koettimella, niin että koko ketju kulkee kohti maasta "purkautuvaa" määränpäätä.
Tämä on totta. Mutta tietysti molemmilla vaihtoehdoilla on kustannukset, joten yksityiskohtainen kauppa-analyysi olisi tehtävä välillä lisäämällä yksinkertaisesti lisäämällä enemmän lähetystehoa ja lisäämällä joko palautuskyky tai välitysinfrastruktuuri. Huomautukseni oli lähinnä se, että työntövoima ei ole ainoa pullonkaula syvän avaruuden tehtävissä. Voyager 1 kulkee yhä kauemmas aurinkokunnan reunoille, mutta lopulta sillä ei ole tarpeeksi voimaa välittää mielekästä tietoa takaisin maapallolle.
Ehdotan, että otsikko muutetaan "mikä on avaruuskoettimien kiihtyvyyden rajat tällä hetkellä", koska nopeuden rajoitus on teknisesti * fysiikan lait *, OP: n kysymys on itse asiassa kiihtyvyys * nopeuteen.
@RhysW: En olisi täysin samaa mieltä. Meillä on erittäin tehokkaita kiihdytysjärjestelmiä, mutta ne toimivat minuutteja kerrallaan, joten nopeuden voitto ei ole kovin suuri. Meidän on saatava koettimet * liikkumaan nopeasti *, antamaan heille suuri nopeus. [Kiihdytyksen vahvuus * kiihdytysaika] rajoittaa ilmeisesti tätä nopeutta.
Vastaus otsikkokysymykseen kirjaimellisesti: Kuinka lähellä pääset Aurinkoon. MESSENGER on päässyt melko lähelle kiertämällä elohopeaa ja nousee siten noin 62 km / s aurinkoon nähden, mukaan lukien sen kiertoradan nopeus elohopean ympärillä, jos ja kun se on samaan suuntaan. Luulen, että se on yhtä nopea kuin mitä olemme tehneet. (Galileo-koetin ei edes päässyt niin nopeasti Jupiterin ilmakehään.)
Jälleen skenaario "lattiavaha JA autiomaankatkaisu". * Kiihtyvyys * on rajoitettu * aikaan *. Tulisi olla parempi sana "kiihtyvyyden ja ajan tulo!" Jos vain voisimme ajatella yhtä ...
@uhoh: $ {m \ over {s ^ 2}} \ cdot s = {m \ over s} $, joten kaikki ja heidän tätinsä kutsuvat tätä delta-V: tä. Se on vain, että nimi ei vangitse käsitettä komponenttien kanssa. Se on tavallaan Work vs Energy, toinen on voima kertaa etäisyys, toinen on ... erilaisia ​​asioita, mutta ne ovat täsmälleen sama määrä.
@SF. Hups, unohdin lisätä kansainvälisen merkin levitykseen - ":)" Mutta nyt kun mainitset sen, olen siitä loppujen lopuksi hieman hämmentynyt. OK, työskentelen siinä. Kiitos!
@uhoh: Minun mielipiteeni pysyy edelleen. Delta-V on [aika * kiihtyvyys] on kuin energia toimisi.
Releiden ketju? Tarkoitatko vikatilanteiden kertomista N * -releillä? Ei kuulosta minulta niin hyvältä. Ja kuka tietää, mitä budjettileikkauksia poliitikot kannattavat ...
@SF. En tiedä miten sopia enemmän! Jep jep!
Kuusi vastused:
#1
+15
RhysW
2013-07-25 13:52:27 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Se on osittain samat ongelmat kuin käynnistysongelma. Jos lisäät polttoainetta rakettien polttoainesäiliöihin, lisäät sen massaa. Sitten polttoaineen nostamiseksi sinun on lisättävä hieman enemmän polttoainetta tämän polttoaineen nostamiseksi, ja niin edelleen ja niin edelleen.

Vastaava ongelma on nykyisessä sondien käyttövoimajärjestelmässä, mutta ennen kuin käsittelen sitä, Selitän (hyvin lyhyesti) matkustamista avaruudessa, jotta voimme ymmärtää ongelman.

Matkusta avaruudessa (olettaen, että matkustat suoralla linjalla)

Matkustaminen avaruudessa ei ole sama asia kuin maa. Maalla matkustaminen vaatii polttoaineen jatkuvaa polttamista voidakseen korvata kitkasta, ilmanvastuksesta jne. Menetetyn nopeuden.

Avaruudessa matkustaminen ei toimi samalla tavalla, se ei vaadi vakiota palaminen vaatii, että poltat tarpeeksi polttoainetta massan kuljettamiseksi kyseiseen alkunopeuteen, sitten tarpeeksi palamaan päinvastaisessa järjestyksessä hidastamaan itseään määränpäässä.

(Se ei ole puoli ja puoli, mutta vaatii nopeammin poltettua polttoainetta kuin hidastumista, koska hidastuvalla osalla on vähemmän massaa, koska voimme alentaa kadonneen polttoaineen kiihtyäksesi ensimmäisenä .)

Takaisin ongelmaan

Ok, jotta voisimme lisätä vain enemmän polttoainetta antureihin, mutta sitten törmää samaan numeroon kuin käynnistysnumero, lisäämällä ylimääräistä polttoainetta lisätään ylimääräistä massaa, joka vaatii oman polttoaineen palamisen, jotta kasvanut massa voidaan ajaa haluamillemme nopeuksille.

Joten mitä haluamme on jokin muu käyttövoimamenetelmä kuin nykyinen nestemäinen ja kiinteä prosessi.

Kuten näet täältä, NASA: lla on jo joitain vaihtoehtoisia ideoita, joita he haluavat kokeilla käyttövoimana, Käsittelen niitä lyhyesti alla, jos linkki kuolee.

Lämpöydinvoima ydinvoimalassa

Ydinlämpövoima - lämmittää nesteen, tavallisesti vetyä, korkean lämpötilan ydinvoimassa reaktori, joka luo työntövoiman raketin siirtämiseksi avaruudessa

NASA odottaa tämäntyyppisen käyttövoimajärjestelmän olevan paljon kevyempi ja tehokkaampi menetelmä kuljettaa aluksia avaruudessa.

Jokaisessa hopeapäällysteessä on kuitenkin pilvi, eikä tämä ole poikkeus. Mikä tällä hetkellä on tapamme käyttää tätä järjestelmää, on äärimmäisen vaikea pitää vety nestemäisessä muodossa.

Kuten näet täältä, vetyä on pidettävä 20 Kelvinissä, jotta se pysyy nestemäisessä muodossa. Tämä ehdottaa monia teknisiä haasteita, ensin lämpötilan laskemiseksi sellaiselle tasolle, sitten taas yrittäessä estää nestemäisen polttoaineen lämmittämistä pakokaasujen korkeista lämpötiloista!

Ja älä erehdy, nestemäisen vedyn teknisissä ongelmissa ei ole kokeilemisen puutetta. Itse ajatus käyttää nestemäistä vetyä polttoaineena on ollut olemassa ainakin 1950-luvulta lähtien!

Plasmaan perustuva käyttövoima

NASA tutkii myös plasmapohjaista propulsiojärjestelmää nimeltä VASIMR-projekti. se magneettisuuttimen kautta.

Tämä on tietysti erittäin teknisesti haastavaa, mutta on myös kysymys siitä, että plasma on suojattava magneettisesti aluksen laitteistosta tai se aiheuttaa elektrodien eroosiota itse moottoreissa.

(Anteeksi, että minulla ei ole tietoa fysiikasta siitä, kuinka tämä bitti todella toimii.)

Puhumattakaan siitä, että tarvitsisit myös energiaa ydinreaktoreiden käyttämiseksi kussakin suunnittelussa.

Päätelmä

Joten todella käytämme kemiallisia käyttövoimajärjestelmiä, koska vaihtoehdot ovat teknisesti kalliita ja vaikeita. Taistelemme saadaksemme kemialliset käyttövoimajärjestelmät ajamaan enemmän moninkertaisen polttoainekysymyksen vuoksi (ellemme löydä tehokkaampia polttoaineita). Mutta oikeastaan ​​suurin asia ei ole niinkään työntövoima, sen etäisyys!

Esimerkiksi avaruusasema kiertää meitä tällä hetkellä noin 18 000 mailia tunnissa, kiertäen maata 90 minuutin välein.

Kuuhun lentänyt Apollo-avaruusalus kulki nopeammin, noin 24 000 mailia tunnissa. Tämän tyyppisiä nopeuksia ei voida ajatella maan päällä kulkeville matkoille, sillä ne ovat satoja kertoja nopeampi kuin mikään suihkukone voi mennä.

Joten väitteeni perustuu näihin seikkoihin, polttoaineongelmaan, helppojen vaihtoehtojen puutteeseen, polttoainekustannuksiin, pelkkään etäisyyteen.

Ei mainintaa aurinkopohjaisista käyttövoimajärjestelmistä? Tietenkin he alkavat heikentyä, kun koetin siirtyy poispäin auringosta, mutta ne puolestaan ​​lisäävät tehokkuuttaan lähestyessään muita tähtiä ...
@robguinness hyvä asia, en ollut ajatellut sitä, löydän lisätietoja ja muokkaan niitä
@robguinness voisit väittää, että teknisesti jo teemme sen, Juno menee jupiteriin vain aurinkoenergian kautta, kuulen
Kyllä, aurinkoenergialla toimivia plasmapotkureita on käytetty monien vuosien ajan, erityisesti HEO-tietoliikennesatelliiteissa. Toinen muoto on aurinkopurjetekniikka, joka käyttää fotonien vauhtia suoraan avaruusaluksen kuljettamiseen. Tämä on paljon kokeellisempaa, mutta jotkut mielenosoittajat ovat lentäneet konseptin todisteina.
Vedyn kiehumispisteongelma on kova, mutta sitä ei ole ratkaistu. Vetyä on käytetty polttoaineena pitkään, yleensä polttamalla nestemäisellä hapella. Space Shuttles käytti sitä myös.
@Linuxios,-ratkaisuna on ollut vedyn kulutus ennen kuin lämmöstä tulee ongelma. Vedynesteen pitäminen tunnin ajan on paljon helpompaa kuin nesteen pitäminen vuosia.
Voidaanko vetyä varastoida hiilivetyyn, esimerkiksi metaaniin, ja hajottaa kemiallisesti syöttääkseen moottoriin? Mitä tulee hiileen, eikö sitä voida käyttää myös ponneaineena samalla tavalla?
#2
+5
John Bode
2016-08-25 22:17:30 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Tällä hetkellä ensisijainen raja on, että olemme jumissa reaktiokäyttöjen käyttämisessä, mikä tarkoittaa, että avaruusaluksen kiihdyttämiseen on käytettävä ponneainetta. Joten kokonais-ΔV (nopeuden muutos) rajoittuu kuljettamasi ponneaineen määrään ja moottoreidesi hyötysuhteeseen Tsiolkovsky-rakettikaavassa.

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

missä MR on massasuhde

$$ MR = {M_ {avaruusalus} + M_ {ponneaine} \ yli M_ {avaruusalus}} $$

Dawn-miehittämätön avaruusalus Dawn käyttää ionimoottoria, jonka impulssi (I sp ) on 3100 sekuntia, mikä on tällä hetkellä tehokkain käytössä oleva moottori, josta tiedän . Jos avaruusaluksella on oma massa ponneaineessa ($ M_ {avaruusalus} = M_ {ponneaine} $, kun MR on 2), se tarkoittaa, että voimme saada kokonaisarvoksi ΔV ~ 21057 m / s. Nopea, mutta ei tähtienvälinen matka. Jos avaruusaluksen massa on 9 kertaa ponneaine (MR = 10), voimme saavuttaa jopa ~ 69953 m / s. Parempi, mutta silti ei tarpeeksi hyvä tähtienväliselle lennolle. Jotta Dawnin kaltainen avaruusalus saavuttaisi 0,01 c (~ 3 000 000 m / s), tarvitsemme massasuhteen luokkaa 5,0 * 10 ^ {41} $. 1 sup>

Käytännöllinen yläraja sille, kuinka paljon massaa voimme laukaista maan pinnalta, mikä rajoittaa ponneaineen määrää, jonka voimme lähettää avaruusaluksella.

Ongelmalla on kaksi tapaa - yksi on nopeuttaa avaruusalusta käyttämällä EM-säteilyä purjetta vastaan. On projekti nimeltä Breakthrough Starshot, jonka tarkoituksena on käyttää maanpäällistä terawattilaseripankkia nopeuttamaan gramman mittakaavan avaruusalus 0,2 c : iin (59958491 m / s). noin 10 minuutin tila. Purjeen käytöstä aurinkotuulella on myös ollut lukuisia ajatuksia.

Toinen on luoda todellinen reagoimaton asema (kuten Alcubierre-asema tai EmDrive), jolla on useita ongelmia (ei vähiten siitä, miten kiertää vauhdin säilyttämistä ja vastaavia).


  1. Se, että ΔV nousee massan logaritmin kanssa suhde tekee raketin yhtälöstä niin tyrannin. Jokainen lisäämäsi ponneaine on kiihdytettävä yhdessä avaruusaluksen kanssa, mikä johtaa tuottojen vähenemiseen. Siksi emme käyttäneet raketteja Apollo-avaruusaluksen tai Shuttle-kiertoradan hidastamiseen ennen paluuta; se vain muuttui liian suureksi massaksi käynnistettäväksi.

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

Yksinkertaisesti sanottuna: Polttoaine- ja taajuusmuuttajan hyötysuhde.

Suurin mahdollinen vektorimuutos on mahdollista aluksella olevan polttoaineen kuormituksen ja taajuusmuuttajan tehokkuuden perusteella muunnettaessa kyseinen polttoaine vektorimuutokseksi.

Kiihdyttäminen (joka on vektorin muutoksen synonyymi) tietyn ajan vaatii tietyn määrän polttoainetta. Kaikki polttoaine on oltava aluksella, eikä lennon aikana ole mitään tapaa tankata tehokkaasti.

Joten polttoaine ja ajotehokkuus yhdessä muodostavat maksimaalisen kokonaisvektorin.

Ja kokonaisvektori on synonyymi nopeudelle.

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

Sitä rajoittaa se, kuinka tehokkaita ja tiheitä voimme tehdä lasereita. laserpurjehduskonsepti yhdistää ponneaineen ja rakettikaavan, ja tarjoaa siten lupauksen korkeimmista saavutettavissa olevista nopeuksista. Tietysti se ei olisi helppoa.

Ei aivan - teholla tai tiheydellä ei ole väliä, koska mikään ei kerro, että sinulla voi olla vain yksi laukaisulaser. Voit kasata niin monta kuin tarvitset, raja on säteen koherenssi.
#5
+3
Anthony X
2014-04-09 06:13:58 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Avaruusaluksen saavuttama delta-V riippuu rakettikaavasta. Se laskee osuuden käytettävissä olevasta kokonaismassasta ponneaineena ja kyseisen karkotetun massan nopeudesta. Karkotetun massan nopeus riippuu varastoidun energian määrästä, joka voidaan muuntaa kineettiseksi energiaksi.

Kemiallisissa raketeissa on vain niin paljon kemiallista energiaa, joka on varastoitu reagensseihin (jotka ovat myös ponneaineen massa). määrittää poistettavan ponneaineen rajoittavan nopeuden, joka asettaa ylärajan ajoneuvon saavutettavalle delta-V: lle.

Siirtyminen toiseen käyttötyyppiin, jossa ponneaineen massa työnnetään paljon suuremmalla nopeudella, voi teoriassa sallia ajoneuvon saavuttaa paljon suuremmat nopeudet. Tietysti se edellyttää sellaisen energialähteen saatavuutta, joka voi varastoida paljon käyttökelpoisempaa energiaa polttoainemassayksikköä kohti - kuten ydinvoima - ja herättää kysymyksen siitä, kuinka ponneainetta voidaan kiihdyttää.

VASIMIR on yksi esimerkki työntövoimasta, joka pakottaa pakokaasunsa paljon suuremmalla nopeudella kuin kemiallisilla ponneaineilla saavutettavissa. Tähtien välisen koettimen käyttäminen ei ehkä ole tekniikkaa (useat tekijät näyttävät rajoittavan sitä delta-V: tä, jota se voisi soveltaa avaruusalukseen), mutta jokin muu tekniikka, jonka tavoitteena on tehdä sama asia (erittäin suuren nopeuden pakokaasu), saattaa.

Jossakin määrin se liittyy rahaan - uusien propulsiotekniikoiden tutkimuksen ja kehittämisen rahoittamiseen. Mutta se tulee alas myös perusfysiikkaan.

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

Hyvin yleisesti ottaen reaktiomoottori toimii heittämällä energiaa takaosasta saadakseen liikkeen eteenpäin. Nyt lukion fysiikan mukaan energia, jonka saamme massapalan heittämiseen (potkuriaine, meidän tapauksessamme), on

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

Mitä nopeammin heitämme massan ulos, sitä enemmän energiaa massayksikköä kohti saamme. Raketissa tätä kutsutaan pakokaasunopeudeksi ($ Ve $), johdettua määrää kutsutaan spesifiseksi impulssiksi ($ Isp $). Suuremmat nopeudet vastaavat parempaa hyötysuhdetta, absoluuttiseen maksiminopeuteen $ c $ saakka, jolloin lukion matematiikka hajoaa ja yhtälö alkaa näyttää enemmän kuin $$ Ke = {MC ^ 2 \ sqrt (1- (V / C) ^ 2)} - MC ^ 2 $$ Huomaa, kuinka sanoin Energia Massan sijasta. Fotonit liikkuvat absoluuttisella maksiminopeudella, jonka maailmankaikkeus sallii, ja ovat siksi täydellinen raketin ponneaine. Teknisesti yksinkertainen taskulamppu on raketiteknologian ehdoton kärki ... Paitsi yhtä pientä ongelmaa.

Vaikka fotonit pakkaavat mahdollisimman suuren kineettisen energian massayksikköä kohti ( kuinka fotoneilla on kineettistä energiaa ilman massaa on minun ulkopuolella, mutta he tekevät. Kutsutaan sitä vain yksinkertaisuuden vuoksi massaksi ), heidän massa on mittaamattoman pieni. Taskulamppu voi olla absoluuttinen huippu Tehokkuus , mutta sen todellinen työntövoima ei ole käytännössä mitään. Kestää vuosia, ennen kuin huomaat, että taskulamppu on liikkunut lainkaan, mikä johtaa meidät toiseen asiaan.

Vaikka taskulamppurakettisi liikkuisi vuosia, paristoille kului vain tunteja. kuolla. Jotta fotoniraketillemme olisi elinikä ja voima tehdä mitään, meidän on käytettävä polttoaineena pientä ydinvoimalaa. Kaiken tämän ylimääräisen massan myötä jo nyt pieni kiihtyvyytemme puristuu satojen tonnien reaktorin avulla.

Ion-asemien ja VASMIRin kaltaiset tekniikat kohtaavat samanlaisia ​​rajoituksia. Voidakseen kerätä riittävästi energiaa reaktiomassansa ollakseen tehokas , heidän on leikattava ponneainevirta pieneen pisaraan siitä, mikä se voisi olla, mikä tarkoittaa, että heillä on hyvin, hyvin matala työntövoima . Sen lisäksi ne tarvitsevat myös suuria määriä sähkövirtaa, mikä tarkoittaa, että he kohtaavat saman asian kuin ydinvoimalalla toimiva taskulamppurakettimme.

Kaikki tämä huomioon ottaen rakettien pyhä graali olisi korkea työntövoima, tehokas moottori. Nimikkeelle on vain muutama tällä hetkellä teoreettinen kilpailija, kuten Zurbin NSWR tai Project Orion. Suurimmalla osalla, ellei kaikilla heillä, on melko vakavia haittoja, ja koska yksi niistä liittyy ydinaseiden käyttämiseen työntövoimaa varten , ei todennäköisesti saada rahoitusta pian.



Tämä Q & A käännettiin automaattisesti englanniksi.Alkuperäinen sisältö on saatavilla stackexchange-palvelussa, jota kiitämme cc by-sa 3.0-lisenssistä, jolla sitä jaetaan.
Loading...