Vraag:
Harpoenaandrijving - wat zijn de problemen?
SF.
2016-02-13 00:53:05 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Laten we ons voorstellen dat we eindelijk buckytube-touw hebben ontwikkeld. Een paar honderd kilometer touw, in staat om een ​​vaartuig van 100 ton met een versnelling van 6 g te trekken, in een pakket dat op dat vaartuig kan worden verpakt.

Een bijna-aardse asteroïde komt voorbij. Een vaartuig wordt gelanceerd op een nabijgelegen vliegbaan. Wanneer het flyby-punt nadert, lanceert het vaartuig een "raket" - ofwel een impactor met een harpoenhaak, of een soort net, of een die een lus kan creëren ... met het touw achterlatend. Het vangt de asteroïde.

Het vaartuig rolt het touw van een spoel af, terwijl het de spoelrotatie krachtig remt, zodat de versnelling van het vaartuig dat aan het touw wordt getrokken overleefd is voor de bemanning / lading en niet iets breken. Dit is totdat de spoel stopt of het hele touw afrolt (in welk geval het is toegestaan ​​om los te vliegen met de asteroïde en los te laten van het vaartuig).

Nadat de spoel tot stilstand is gekomen, wordt het vaartuig verankerd aan de asteroïde, die een flink aantal km / s in wezen vrij heeft gemaakt.

Welke (behalve het uitvinden van een buckytube-touw) obstakels kunnen er achter zo'n voortstuwingsmethode staan? Zou de warmteafvoer van de rem beheersbaar zijn? (bijvoorbeeld een soort ablator / sublimator, dat is een eenmalige aangelegenheid). Zou dat soort voortstuwing zin hebben?

Gerelateerd: [Zou Rosetta Chury hebben gelasseld om mee te liften in plaats van er 10 jaar achteraan te jagen?] (Http://space.stackexchange.com/q/4606/49)
Het grootste probleem met een dergelijk systeem, op voorwaarde dat de engineering solide is, is waarschijnlijk de timing en het vinden van plaatsen om naartoe te gaan. Om mee te liften, moet je de asteroïde lokaliseren, onderscheppen en vangen. Dan moet de asteroïde ook ergens heen gaan waar je heen wilt, omdat het contraproductief zou zijn om in een schuine baan terecht te komen. Het kan grote hoeveelheden brandstof vereisen om snelheden te onderscheppen en af ​​te stemmen op overleefbare snelheden die het niet waard zijn
@Dragongeek: niet noodzakelijk - je kunt de asteroïde "loslaten" voordat je de snelheid 100% aanpast - behandel dit als een zwaartekrachthulp, behalve dat je de sterke ketting gebruikt in plaats van de zwakke zwaartekracht van de asteroïde.
Drie antwoorden:
Hobbes
2016-02-15 15:43:02 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Stel dat de komeet voorbij komt met 10 km / s en je voertuigsnelheid is 0. Dan moet je voortstuwingssysteem een ​​delta-V van 10 km / s leveren. Je kunt dit doen door raketbrandstof te verbranden, of door je harpoen / lier / remsysteem. De hoeveelheid kinetische energie die u moet genereren / afvoeren is in beide gevallen hetzelfde.

Eerste stap: raden

Een vaartuig van 100 ton heeft ongeveer 2000 ton raketbrandstof nodig om te accelereren tot 10 km / s (ongeveer de prestatie van een Saturn V).

Als we ons beperken tot de temperaturen die in chemische raketten worden aangetroffen, vermoed ik dat uw lierrem voldoende energie moet afvoeren om 2000 ton water te verdampen.

Als je hogere temperaturen kunt gebruiken, wordt het systeem massa-efficiënter, maar je zou een tussenstap moeten toevoegen: zet de remenergie om in elektriciteit en gebruik die om een ​​ionenmotor of thermische motor aan te drijven. raket.

Tweede stap: bereken

De kinetische energie van 100 ton reizen met 10 km / s is $ 1/2 * m * v ^ 2 $ is $ 5 * 10 ^ {12 } $ J is $ 1,38 * 10 ^ 9 $ Wh. Dat is de hoeveelheid energie die je moet inbrengen om te versnellen tot 10 km / s, dus dat is de hoeveelheid energie die je rem moet afvoeren.
Met 6 G wordt die $ 1,38 * 10 ^ 9 $ Wh gegenereerd in 166 (10.000 / 60) seconden, voor een gemiddelde van 30 GW. Op aarde vereist dat soort energiedissipatie een rivier en tientallen gigantische koeltorens.

Water heeft 2,2 MJ / kg nodig om te verdampen, dus mijn schatting van 2000 ton was nauwkeurig tot op 10%.

Bij de lancering worden we beperkt door de verbrandingswarmte van de brandstof - de chemische energiedichtheid. Met remmen, alleen met structurele / thermische duurzaamheid onder hitte - we kunnen elke methode van warmteafvoer gebruiken en ik denk dat veel een stuk efficiënter zouden moeten zijn dan raketmotoren. Als we een manier hebben om de warmte te dumpen in het creëren van 50.000K plasma zonder het schip te beschadigen, is het allemaal prima.
@SF. Warmtedissipatie is momenteel het moeilijkste probleem op een ruimtevaartuig. Bij chemische raketten is de warmteafvoer als sublimator in de raket ingebouwd. Uw commentaar op de 50000K plasma handgolven thermodynamica weg.
@Aron: Geen thermodynamica maar engineering. Het apparaat zou bijna volledig uit magnetische velden moeten worden opgebouwd om niet te verdampen. De energie kan worden overgedragen door "koude" middelen zoals elektriciteit in supergeleiders of kinetische energie (zeg maar roterend), maar vroeg of laat zou het moeten worden gedissipeerd en dan beginnen ernstige problemen.
@SF. Ja thermodynamica. Het heet de 2e wet van de thermodynamica. In principe kunnen hete dingen alleen heter worden gemaakt met nog heterere dingen (of werk). Maar als u werk heeft, is het efficiënter om uw brandstof voort te stuwen met werk dan met thermische uitzetting.
@Aron: Welke brandstof? We hebben geen extra drijfgas om uit te werpen. Het hele idee is een voortstuwing die geen reactiemassa vereist. Het plasma van 50000K is een bijproduct dat we veilig willen verwijderen! (en we hebben werk genoeg: remkracht van welke remmen dan ook, tegen het lint in bewegen.)
@SF. Over wat voor plasma sprak u dan?
@Aron: Sommige ablatieve materialen hebben tot nu toe oververhit door de energie die is gegenereerd door het remproces te verwijderen. Maar in de eerste plaats een gedachtegoed om de asymmetrie tussen chemische voortstuwing en niet-atmosferisch ablatief remmen te laten zien. Een soort sublimator die heel erg heet mag lopen.
Als u veilig een plasma van 50000K kunt maken voor dissipatie, kunt u ook een motor maken die op 50000K draait. Omdat geen van beide in het rijk is van wat nu mogelijk is, vergelijken we twee apparaten die niet bestaan ​​en geen theoretische basis hebben. IOW, we hebben geen manier om de geldigheid van uw uitgangspunt te controleren.
@Hobbes: Naast de constructie van de 50000K-motor, zou je voor het probleem staan ​​om genoeg energie op te wekken om zinvolle hoeveelheden van het 50000K-plasma te maken (een ongelooflijk krachtige energiebron met extreme vermogensdichtheid) en vervolgens de output op een nuttige manier vorm te geven (voortstuwend ). Hier hebben we de energie, en we hoeven alleen de output kwijt te raken (veilig; niet voortstuwend). Qua moeilijkheidsgraad is het het verschil tussen een ton drijfgas nemen en er een vluchtwaardige raket uit bouwen versus een ton drijfgas op de grond verbranden op een manier die niemand doodt.
LocalFluff
2016-02-15 20:18:26 UTC
view on stackexchange narkive permalink

In plaats van slechts één harpoen met een enkele draad te hebben die alle enorme stress moet verwerken, zou je misschien een heel spinnenweb van draden kunnen gebruiken. Elk daarvan springt in een reeks relatief gematigde blokken gedurende een bepaalde tijdsperiode tijdens de snelle flyby.

Een zeer korte flyby zou de vereiste lengte van de draden verminderen. Een groot probleem is hoe je de harpoenen aan het oppervlak van de komeet bevestigt. Maar ankerpunten of netten kunnen vooraf worden geplaatst door zachte landers die lichter, langzamer zijn en worden gelanceerd om de komeet te ontmoeten wanneer deze beter toegankelijk is dan wanneer het ruimtevaartuig dat later deze installatie gebruikt voor afbuiging en versnelling voorbij komt op weg naar doel X.

Misschien kan een vooraf geplaatst zacht geland object zijn omgeving op de komeet laten smelten en gassen in een lange stroom naar de baan van het vliegende ruimtevaartuig blazen, waardoor het kan worden geblazen als het nadert.

Ik stelde me een lichaam voor in de vorm van Chury, twee raketten die een vork van touw trokken, het rond de "nek" vingen en er vervolgens verschillende keren omheen (en elkaar) draaiden. Ik vraag me af hoe haalbaar dat is - wat betreft scherpe rotsen kan schuim in epoxystijl wonderen doen.
Kometen lijken op rotte noten. Harde schelpen maar alleen brij van binnen. Een lasso zou de komeet kunnen onthoofden. Ik denk (of vermoed) dat een soort van kauwgomachtig concept de structurele spanning op ruimtevaartuigen en komeet beter over gebied en tijd kan spreiden. Maar de objecten die er zijn, zijn individueel, sommige zijn waarschijnlijk gemaakt van massief metaal.
De nekdiameter van Chury is ongeveer 2 km. 100 ton * 6 g - 600 ton verdeeld over 3,14 km oppervlak van de "dragende" helft van de nekomtrek - ongeveer 200 kg per meter lengte en ik stel me zeker voor dat het "touw" meer op een lint lijkt (zeg maar 50 cm breed ), geen touwtje, dus 400 kg per m ^ 2 op een 2 km dikke as - ik betwijfel ernstig of onthoofding van Chury mogelijk zou zijn.
@SF Ik kan de omvang van de hier betrokken krachten niet inschatten. Maar met 400 kg per m², ongeveer zoals de lading van een zeecontainer waarvoor verharde grond is gemaakt om te hanteren, ben ik bang dat de dunne harde korst van een komeet zou kunnen scheuren en de onmiddellijk sublimerende vluchtige stoffen onder het oppervlak in een explosieve ring zou kunnen laten ontsnappen. rond de "nek" van de lasso. En het bijna zwaartekrachtloze losse puin en stof erin verplaatsen in een komeetbeving. Misschien zouden sommige kometen dat wel doen, andere niet. Ik vermoed dat het individuen zijn met allerlei soorten geschiedenissen.
Lex
2019-07-16 20:45:56 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Er is een alternatief dat het probleem van warmteafvoer volledig wegneemt. Hoewel, het heeft zelf enkele problemen. Het doet dit door het remmechanisme en de spoel te verwijderen. Het touw begint volledig uitgevouwen en loodrecht op de snelheidsvector van het doelwit. Als de harpoen nu voor anker gaat, definieert het touw de straal van een cirkel, waarbij alle snelheid tangentieel is. De ervaren versnelling kan op dezelfde manier worden berekend als voor kunstmatige spinzwaartekracht. Nu beweegt het vaartuig om het doelwit.

Pros

  • Als het wacht tot het een halve slag heeft gedraaid en dan loslaat, gaat het voor de doelwit met dezelfde snelheid als het doelwit oorspronkelijk voor hem uit bewoog. Tweemaal de delta V die mogelijk is met de remmethode. Dit is analoog aan een zwaartekrachtkatapult.

  • De energie wordt opgeslagen in de rotatie van het hele systeem. Als het doelwit de bestemming is, moet de energie nog steeds worden afgevoerd, maar het doelwit ontsnapt niet, dus de dissipatie kan langzaam zijn. De gemakkelijkste energieopvang is waarschijnlijk het dumpen van rotatie-energie in het doel.

  • De release kan worden getimed om een ​​component van de snelheid te laten afwijken van het traject van het doel, waardoor het systeem meer veelzijdig.

Nadelen

  • Voor een vast beginsnelheidsverschil en versnelling moet het vereiste touw de lengte om te remmen tot een volledige stop is de helft van de lengte die nodig is om rond het doel te zwaaien.

  • Het anker zal waarschijnlijk ingewikkelder moeten zijn omdat het touw in plaats daarvan rond het anker moet draaien om er gewoon tegenaan te trekken. Dit geldt met name in het geval dat het einddoel is om bij het doel te stoppen. in dit geval moet het anker worden opgesteld om continue rotatie mogelijk te maken.

  • Het remsysteem kan te kort zijn voor een volledige stop en toch wat delta V geven, terwijl het rondzwaaisysteem helemaal niet kan functioneren als het touw niet lang genoeg is.



ⓘ
Deze Q&A is automatisch vertaald vanuit de Engelse taal.De originele inhoud is beschikbaar op stackexchange, waarvoor we bedanken voor de cc by-sa 3.0-licentie waaronder het wordt gedistribueerd.
Loading...