Vraag:
Wat beperkt momenteel de snelheid van ruimtesondes?
SF.
2013-07-25 13:03:24 UTC
view on stackexchange narkive permalink

... anders dan het budget, uiteraard.

Onze computers zijn tegenwoordig goed genoeg om een ​​sonde naar een naburig sterrenstelsel en terug te kunnen sturen, en een aantal behoorlijk goede analyserapporten te krijgen. We hebben batterijen die honderd jaar meegaan voordat ze door zelfontlading onbruikbaar worden, en media om de verzamelde gegevens lang daarna te bewaren. De huidige wegversperring lijkt de snelheid van de sondes te zijn - het zou veel langer duren om zo ver te komen dan onze apparatuur zou kunnen overleven in werkende staat. We hebben een betere voortstuwing nodig om de resultaten binnen een redelijk tijdsbestek te krijgen.

Laat me eerst de vraag stellen op een zeer korte en niet-constructieve manier: waarom hebben we geen betere voortstuwing?

Nu voor iets minder subjectief: tegen welke wegversperringen strijden de wetenschappers momenteel om de voortstuwing van onze sondes te zwak te houden om praktisch aan missies buiten het zonnestelsel te denken? Zijn er redelijke voorspellingen of projecten van voortstuwingssystemen die aanzienlijk zouden verbeteren ten opzichte van wat we hebben? Of is het gewoon budget? Geef je hem een ​​brandstoftank die groot genoeg is en hij vliegt zo snel als we willen? Of zijn er andere overwegingen zoals veiligheid in het geval van nucleair?

Houd er naast het probleem van de voortstuwing rekening mee dat hoe verder u de deur uit gaat, hoe meer padverlies het communicatiekanaal heeft. Voor het retourkanaal (d.w.z. sonde naar aarde) betekent dit dat de sonde met meer vermogen moet zenden of dat de ontvanger op aarde groter en beter moet zijn. Simpel gezegd, de hoeveelheid energie die nodig is per stukje communicatie zal een bottleneck worden (ik geloof dat het ongeveer met r ^ 2 groeit).
@robguinness: Daar zijn twee oplossingen voor: 1. De sonde komt terug, 2. we plaatsen onderweg "relais". Het kunnen ofwel segmenten zijn die na de sonde zijn achtergebleven of we kunnen er cyclisch om de paar jaar een lanceren om de sonde bij te houden, zodat de hele keten naar de bestemming reist die zich vanaf de aarde "afrolt".
Dit is waar. Maar beide opties hebben natuurlijk een prijs, dus er zou een gedetailleerde handelsanalyse moeten worden uitgevoerd tussen het toevoegen van eenvoudigweg meer zendvermogen en het toevoegen van retourvermogen of een relaisinfrastructuur. Mijn punt was vooral dat voortstuwing niet het enige knelpunt is voor missies in de diepe ruimte. Voyager 1 gaat steeds verder de randen van het zonnestelsel in, maar zal uiteindelijk niet genoeg kracht hebben om zinvolle informatie terug naar de aarde te sturen.
Ik stel voor dat we de titel veranderen in 'wat zijn de limieten van versnelling van ruimtesondes momenteel' omdat de snelheidsbeperking technisch * de wetten van de fysica * is, het probleem van het OP is eigenlijk een versnelling * tot * een snelheid.
@RhysW: Ik zou het niet helemaal eens zijn. We hebben extreem krachtige versnellingssystemen, maar ze werken minutenlang, dus de snelheidswinst is niet zo geweldig. We moeten de sondes * snel laten bewegen *, ze hoge snelheid geven. Het is duidelijk dat de [kracht van versnelling * tijd van versnelling] die snelheid beperkt.
Om de titelvraag letterlijk te beantwoorden: hoe dicht je bij de zon kunt komen. MESSENGER is redelijk dichtbij gekomen door in een baan om Mercurius te draaien, en bereikt zo ongeveer 62 km / s ten opzichte van de zon, inclusief de snelheid van zijn baan om Mercurius als en wanneer die in dezelfde richting is. Ik denk dat dat net zo snel is als alles wat we hebben gemaakt. (De Galileo-sonde kwam niet eens zo snel de atmosfeer van Jupiter binnen.)
Wederom met het scenario "vloerwas EN een woestijn topping". De * versnelling * is beperkt in * tijd *. Er zou een beter woord moeten zijn voor "het product van versnelling en tijd!" Konden we er maar één bedenken ...
@uhoh: $ {m \ over {s ^ 2}} \ cdot s = {m \ over s} $ en dus noemt iedereen en hun tante dat delta-V. Het is alleen dat de naam het concept met de componenten niet vastlegt. Het is een beetje zoals Work vs Energy, de ene is kracht maal afstand, de andere is ... verschillende dingen, maar ze zijn precies dezelfde hoeveelheid.
@SF. Oeps, ik ben vergeten het internationale teken voor lichtzinnigheid toe te voegen - de ":)" Maar nu je het zegt, ben ik er toch een beetje door in de war. Oké, daar zal ik aan werken. Bedankt!
@uhoh: Mijn punt staat nog steeds. Delta-V tot [tijd * versnelling] is als energie is werken.
Een ketting van relais? Bedoelt u het vermenigvuldigen van de uitvalmogelijkheden met N * relais? Klinkt niet zo goed voor mij. Plus, wie weet welke bezuinigingen politici stimuleren ...
@SF. Ik weet niet hoe ik het meer eens moet worden! Yep Yep!
Zes antwoorden:
#1
+15
RhysW
2013-07-25 13:52:27 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Het zijn gedeeltelijk dezelfde problemen als het opstartprobleem. Als je meer brandstof in de brandstoftanks van de raketten doet, vergroot je de massa. Om die brandstof op te tillen, moet je wat meer brandstof toevoegen om die brandstof op te tillen, enzovoort, enzovoort.

Een soortgelijk probleem doet zich voor met het huidige voortstuwingssysteem op sondes, maar voordat ik daarop inga ga (heel kort) het reizen in de ruimte uitleggen, zodat we het probleem kunnen begrijpen.

Reizen in de ruimte (ervan uitgaande dat we in een rechte lijn reizen)

Reizen in de ruimte is niet hetzelfde als reizen aan land. Reizen op het land vereist de constante verbranding van brandstof om de snelheid die verloren gaat door wrijving, luchtweerstand, enz. Te kunnen vervangen.

Reizen in de ruimte werkt niet op dezelfde manier, het vereist geen constante brandend, vereist het dat je voldoende brandstof verbrandt om de massa naar die beginsnelheid te stuwen, en vervolgens genoeg om in omgekeerde richting te verbranden om zichzelf te vertragen op zijn bestemming.

(Dat is niet half en half, het vereist meer verbrande brandstof om te versnellen dan om te vertragen, aangezien het vertragende deel minder massa heeft omdat we de verloren verbrande brandstof kunnen verdisconteren om te versnellen in de eerste plaats.)

Terug naar het probleem

Oké, dus we zouden gewoon meer brandstof aan de sondes kunnen toevoegen, maar dan hetzelfde probleem tegenkomen als het lanceringsprobleem, het toevoegen van extra brandstof voegt extra massa toe die extra eigen brandstof vereist om te verbranden om de toegenomen massa naar dezelfde snelheden te sturen als we wilden.

Dus echt wat we want is een andere voortstuwingsmethode dan het bestaande vloeibare en vaste proces.

Zoals je hier kunt zien, heeft NASA al een aantal alternatieve ideeën die ze willen uitproberen voor voortstuwing, Ik zal ze hieronder kort behandelen voor het geval de link wegvalt.

Nucleaire thermische voortstuwing

Nucleaire thermische voortstuwing - verwarmt een vloeistof, meestal waterstof, in een nucleaire reactor die stuwkracht creëert om de raket in de ruimte te verplaatsen

NASA verwacht dat dit type voortstuwingssysteem veel lichter zal zijn en een efficiëntere methode om schepen in de ruimte voort te drijven.

Elke zilveren voering heeft echter een wolk en dit is geen uitzondering. Wat ons momenteel in de weg staat om dit systeem te gebruiken, is de extreme moeilijkheid om waterstof in zijn vloeibare vorm te houden.

Zoals je hier kunt zien, moet waterstof op 20 Kelvin worden gehouden om in vloeibare vorm te blijven. Dit stelt veel technische uitdagingen voor, eerst om de temperatuur tot een dergelijk niveau te verlagen, en dan weer om te voorkomen dat de vloeibare brandstof opwarmt door de hoge temperaturen van de uitlaat!

En vergis je niet, de technische problemen bij het gebruik van vloeibare waterstof zijn niet vanwege een gebrek aan pogingen. in feite bestaat het idee om vloeibare waterstof als brandstof te gebruiken al sinds in ieder geval in de jaren vijftig!

op plasma gebaseerde voortstuwing

NASA onderzoekt ook een op plasma gebaseerd voortstuwingssysteem genaamd project VASIMR.

Het idee is om (weer) een kernreactor te gebruiken en (weer) waterstof om de waterstof te ioniseren en het door een magnetisch mondstuk.

Uiteraard is dit technisch zeer uitdagend, maar er is ook het probleem dat het plasma magnetisch moet worden afgeschermd van de hardware van het schip of het veroorzaakt elektrode-erosie in de motoren zelf.

(Excuseer mijn gebrek aan kennis van de fysica over hoe dit bit eigenlijk werkt.)

Om nog maar te zwijgen van het feit dat je ook energie nodig zou hebben om de kernreactoren in elk ontwerp van stroom te voorzien.

Conclusie

Dus eigenlijk gebruiken we aandrijfsystemen op basis van chemicaliën omdat de alternatieven technologisch duur en moeilijk zijn. We zullen moeite hebben om de chemische voortstuwingssystemen meer voort te laten stuwen vanwege het toenemende brandstofprobleem (tenzij we efficiëntere brandstoffen vinden). Maar het grootste probleem is niet zozeer de voortstuwing, maar de afstand!

Het ruimtestation bijvoorbeeld draait momenteel in een baan om ons heen met een snelheid van ongeveer 18.000 mijl per uur, en draait elke 90 minuten om de aarde.

Het Apollo-ruimtevaartuig dat naar de maan vloog, reisde sneller dan dat, met ongeveer 24.000 mijl per uur. Dit soort snelheden is ondenkbaar voor reizen op aarde, omdat ze honderden keren sneller zijn dan welke jet ook kan.

Dus eigenlijk berust mijn argument op deze punten: brandstofprobleem, gebrek aan gemakkelijke alternatieven, brandstofkosten, enorme afstand.

Geen melding gemaakt van voortstuwingssystemen op zonne-energie? Natuurlijk beginnen ze minder effectief te worden naarmate de sonde zich van de zon verwijdert, maar ze worden op hun beurt effectiever naarmate ze andere sterren naderen ...
@robguinness goed punt, dat had ik niet overwogen, ik zal wat meer informatie vinden en het bewerken in
@robguinness je zou kunnen zeggen dat we het technisch al doen, Juno gaat alleen naar jupiter via zonne-energie hoor ik
Ja, plasma-stuwraketten op zonne-energie worden al vele jaren gebruikt, vooral in HEO-communicatiesatellieten. Een andere vorm is zonnezeiltechnologie, die het momentum van fotonen rechtstreeks gebruikt om een ​​ruimtevaartuig voort te stuwen. Dit is veel experimenteler, maar sommige demonstratiemissies zijn gevlogen als proof of concept.
Het waterstofkookpuntprobleem is moeilijk, maar niet onopgelost. Waterstof wordt al heel lang als brandstof gebruikt, meestal verbrandend met vloeibare zuurstof. De Space Shuttles maakten er ook gebruik van.
@Linuxios, de oplossing is geweest om de waterstof op te gebruiken voordat warmte een probleem wordt. Een uur lang waterstof vloeibaar houden is veel gemakkelijker dan het jarenlang vloeibaar te houden.
Kan de waterstof worden opgeslagen in een koolwaterstof, bijvoorbeeld methaan, en chemisch worden afgebroken om naar de motor te worden gevoerd? Wat betreft de koolstof, zou het niet ook op dezelfde manier als drijfgas kunnen worden gebruikt?
#2
+5
John Bode
2016-08-25 22:17:30 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Op dit moment is de primaire limiet dat we vastzitten aan het gebruik van reactieaandrijvingen, wat betekent dat je drijfgasmassa moet gebruiken om het ruimtevaartuig te versnellen. Dus je totale AV (verandering in snelheid) wordt beperkt door de hoeveelheid drijfgas die je kunt vervoeren en de efficiëntie van je motoren zoals gespecificeerd in de Tsiolkovsky-raketvergelijking.

$$ \ Delta V = 9.8 * I_ { SP} * ln (MR) $$

waar MR de massaverhouding is

$$ MR = {M_ {spacecraft} + M_ {propellant} \ over M_ {spacecraft}} $$

Het onbemande ruimtevaartuig Dawn gebruikt een ionenmotor met een specifieke impuls (I sp ) van 3100 seconden, wat momenteel de meest efficiënte motor is die ik ken . Als het ruimtevaartuig zijn eigen massa in drijfgas draagt ​​($ M_ {ruimtevaartuig} = M_ {drijfgas} $, voor een MR van 2), betekent dit dat we een totale ΔV van ~ 21057 m / s kunnen krijgen. Snel, maar niet snel interstellair. Als het ruimtevaartuig 9 keer zijn massa aan voortstuwingsmiddel draagt ​​(MR = 10), kunnen we tot ~ 69953 m / s halen. Beter, maar nog steeds niet goed genoeg voor interstellaire vluchten. Om een ​​Dawn-achtig ruimtevaartuig 0,01 c (~ 3.000.000 m / s) te laten bereiken, hebben we een massaverhouding nodig in de orde van grootte van $ 5,0 * 10 ^ {41} $. 1 sup>

Er is een praktische bovengrens voor hoeveel massa we vanaf het aardoppervlak kunnen lanceren, wat de hoeveelheid drijfgas beperkt die we met het ruimtevaartuig kunnen sturen.

Er zijn twee manieren om het probleem te omzeilen - een is om het ruimtevaartuig te versnellen met behulp van EM-straling tegen een zeil. Er is een project genaamd Breakthrough Starshot dat een op de grond gebaseerde bank van terawattlasers wil gebruiken om een ​​ruimtevaartuig op gramschaal te versnellen tot 0,2 c (59958491 m / s) in de ruimte van ongeveer 10 minuten. Er zijn ook talloze ideeën geweest om een ​​zeil te gebruiken met de zonnewind van de zon.

De andere is om een ​​echte reactieloze schijf te maken (zoals de Alcubierre-schijf of de EmDrive), die een aantal problemen heeft (niet in de laatste plaats hoe je omzeilt het behoud van momentum en dat soort dingen).


  1. Het feit dat ΔV omhoog gaat met de logaritme van de massa ratio is wat de raketvergelijking zo tiranniek maakt. Elke kg drijfgas die u toevoegt, moet samen met het ruimtevaartuig worden versneld, waardoor het rendement afneemt. Daarom hebben we geen raketten gebruikt om de Apollo-ruimtevaartuigen of shuttle-orbiters te vertragen voordat ze weer binnenkwamen; het vertaalde zich gewoon in te veel massa om te lanceren.

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

Simpel gezegd: brandstof- en rij-efficiëntie.

Er is een maximale hoeveelheid vectorverandering mogelijk op basis van de brandstofbelasting aan boord en de efficiëntie van de aandrijving bij het omzetten van die brandstof in een vectorverandering.

Om gedurende een bepaalde tijd te versnellen (wat een synoniem is voor verandering van vector), is een bepaalde hoeveelheid brandstof nodig. Al die brandstof moet aan boord zijn en er is geen manier om effectief te tanken tijdens de vlucht.

De combinatie van brandstof en rij-efficiëntie zorgt dus voor een maximale totale vector.

En totale vector is een synoniem voor snelheid.

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

Het wordt beperkt door hoe krachtig en compact we lasers kunnen maken. Een laserzeilconcept omzeilt de problemen van drijfgas en de raketvergelijking en biedt zo de belofte van de hoogst haalbare snelheden. zou het natuurlijk niet gemakkelijk zijn.

Niet helemaal - noch kracht noch dichtheid doen er eigenlijk toe, want niets zegt dat je maar één lanceerlaser kunt hebben. Je kunt er zoveel opstapelen als je nodig hebt, de limiet is de bundelcoherentie.
#5
+3
Anthony X
2014-04-09 06:13:58 UTC
view on stackexchange narkive permalink

De delta-V die een ruimtevoertuig kan bereiken, is afhankelijk van de raketvergelijking. Het komt neer op het aandeel van de totale massa dat beschikbaar is om als drijfgas te worden verdreven, en de snelheid van die uitgestoten massa. De snelheid van de uitgestoten massa hangt af van de hoeveelheid opgeslagen energie die kan worden omgezet in kinetische energie.

Chemische raketten hebben slechts een beperkte hoeveelheid chemische energie opgeslagen in de reactanten (die ook de drijfgasmassa zijn), die bepaalt de grenssnelheid van uitgestoten drijfgas, wat een bovengrens oplegt aan de haalbare delta-V van het voertuig.

Overschakelen naar een ander type voortstuwing waarbij de drijfgasmassa met een veel hogere snelheid wordt uitgestoten, kan theoretisch een voertuig toestaan ​​om veel hogere snelheden te bereiken. Het veronderstelt natuurlijk de beschikbaarheid van een energiebron die veel meer bruikbare energie per eenheid brandstofmassa kan opslaan - zoals nucleair, en roept de vraag op hoe de drijfgas moet worden versneld.

VASIMIR is een voorbeeld van een stuwkrachttechnologie die zijn uitlaatgas met een veel hogere snelheid verdrijft dan mogelijk is met chemische drijfgassen. Het is misschien niet de technologie om een ​​interstellaire sonde voort te stuwen (verschillende factoren lijken de delta-V te beperken die het op een ruimtevaartuig zou kunnen toepassen), maar een andere technologie die hetzelfde probeert te doen (uitlaat met zeer hoge snelheid) zou dat wel kunnen. p>

Tot op zekere hoogte komt het neer op geld - om onderzoek naar en ontwikkeling van nieuwe voortstuwingstechnologieën te financieren. Maar het komt ook neer op basisfysica.

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

Over het algemeen werkt een reactiemotor door energie naar achteren te gooien om beweging naar voren te krijgen. Volgens natuurkunde op de middelbare school is de energie die we krijgen voor het gooien van een brok massa (in ons geval drijfgas)

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

Dus hoe sneller we de massa weggooien, hoe meer energie we krijgen per massa-eenheid. In raketten heet dit Uitlaat Velocity ($ Ve $), met een afgeleide hoeveelheid genaamd Specific Impulse ($ Isp $). Hogere snelheden staan ​​gelijk aan een betere efficiëntie, tot de absolute maximale snelheid van $ c $, waarna de wiskunde op de middelbare school wordt afgebroken en de vergelijking meer op $$ Ke = {MC ^ 2 \ over sqrt (1- (V / C) ^ 2)} - MC ^ 2 $$ Merk op hoe ik Energie zei in plaats van Massa. Fotonen bewegen met de absolute maximale snelheid die het universum toelaat, en zijn daarom het perfecte drijfgas voor een raket. Technisch gezien is een simpele zaklamp de absolute top van rakettechnologie ... Behalve een klein probleempje.

Terwijl fotonen de maximaal mogelijke kinetische energie per massa-eenheid bevatten ( Hoe fotonen kinetische energie hebben zonder massa te hebben is mij een raadsel, maar dat doen ze. Laten we het voor de eenvoud gewoon massa noemen ), hun massa is onmetelijk klein. Uw zaklamp is misschien wel de absolute top van Efficiency , maar de werkelijke stuwkracht is praktisch niets. Het zou jaren duren voordat je merkte dat je zaklamp überhaupt was verplaatst, wat ons bij een ander probleem brengt.

Hoewel het jaren zou duren voordat je zaklampraket begon te bewegen, zou het slechts uren duren voordat de batterijen sterven. Om onze fotonraket de levensduur en kracht te geven om iets te doen, zouden we een kleine kerncentrale moeten gebruiken om hem van brandstof te voorzien. Met al die extra massa wordt onze toch al kleine versnelling verpletterd door honderden tonnen reactor.

Technologieën zoals Ion-drives en VASMIR hebben te maken met vergelijkbare beperkingen. Om voldoende energie in hun reactiemassa te deponeren om efficiënt te zijn, moeten ze de drijfgasstroom terugbrengen tot een klein straaltje van wat het zou kunnen zijn, wat betekent dat ze een zeer, zeer lage stuwkracht hebben . Daarnaast hebben ze ook grote hoeveelheden elektrische stroom nodig, wat betekent dat ze met hetzelfde probleem worden geconfronteerd als onze nucleair aangedreven zaklantaarnraket.

Dat alles in overweging nemend, zou de heilige graal van raketten een hoge stuwkracht, zeer efficiënte motor. Er zijn momenteel maar een paar theoretische kanshebbers voor de titel, zoals de Zurbin NSWR of Project Orion. De meeste, zo niet alle, hebben een aantal vrij ernstige nadelen, en omdat een ervan betrekking heeft op Het gebruik van kernwapens voor voortstuwing is het onwaarschijnlijk dat we binnenkort financiering zullen ontvangen.



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...