Vraag:
Energieverbruik voor reizen naar de maan versus naar Mars
herzbube
2013-07-22 00:35:23 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ik heb net Clarke's "Prelude to Space" gelezen. In hoofdstuk XXVII geeft het personage Taine een lezing waarin hij zegt:

Het klinkt paradoxaal, maar het is gemakkelijker om de reis van veertig miljoen mijl van een maanbasis naar Mars te maken dan om de een kwart miljoen mijl tussen de aarde en de maan. Het duurt natuurlijk veel langer [...] maar er is niet meer brandstof voor nodig.

Mijn vraag is: kan deze bewering nog steeds als waar worden beschouwd, gezien vanuit het perspectief van de huidige wetenschappelijke vooruitgang? Als Clarke in "Prelude" over "brandstof" spreekt, bedoelt hij raketten die worden aangedreven door kernsplijting. Aangezien die technologie niet tot stand is gekomen, moet de uitspraak mogelijk worden samengevat als "maar er is niet meer energie voor nodig". Bij het beantwoorden van de vraag moet rekening worden gehouden met een theoretische maanbasis.

Als je het over landen hebt: Mars heeft een atmosfeer die een goedkope bron is van delta-V. Dat maakt echter alleen uit in een kilogram tot kilogram vergelijking: als je [vleesijsjes] (https://www.youtube.com/watch?v=8Dd_qiuWxPs) in leven moet houden, kost het meer kilogram naarmate je verder komt.
Vier antwoorden:
#1
+12
PearsonArtPhoto
2013-07-22 01:01:22 UTC
view on stackexchange narkive permalink

De vereisten hiervoor zijn te vinden op Wikipedia, en hier is het algemene budget. Deze worden gemeten in termen van Delta-V, wat het enige is dat er echt toe doet.

Laten we dit 1 voor 1 bekijken. De totale vereiste om vanaf de maan op Mars te landen is de som van de ontsnappingssnelheid van de maan en de Mars-invoegbaan. Dat is 2,8 + 0,6 km / s, of 3,4 km / s. De brandstof die nodig is om LEO vanaf de maan te raken is 2,74 km / s. Het kost dus meer brandstof om naar Mars te komen dan om vanaf de maan naar de aarde te komen.

Als je echter een continue stuwkrachtbenadering gebruikt, zijn de cijfers behoorlijk anders en geven ze in feite de voorkeur aan de reis naar Mars boven de reis naar de aarde vanaf de maan. Dat is waarschijnlijk waar Clarke naar verwees.

Clarke heeft het misschien ook over de aarde-naar-maan-reis (die wel een hogere delta-V heeft dan de maan-naar-Mars-reis). Dat wil zeggen, hij zou kunnen zeggen "als je eenmaal van de aarde naar de maan bent gekomen, ben je het grootste deel van de weg naar Mars", niet "als je op de maan bent, is het gemakkelijker om naar Mars te gaan dan naar de aarde. ".
Ik denk dat de vraag niet "Maan naar Mars vs. Maan naar aarde" was, maar "Maan naar Mars vs. Aarde naar maan". Omdat de reis van de aarde naar de maan al is voltooid, is het logisch om reizen naar Mars ermee te vergelijken.
@vsz en Micah: Ja, je hebt gelijk, het is Earth to Moon, niet Moon to Earth. Desalniettemin vind ik dit antwoord leuk omdat het een aantal harde feiten bevat en een link naar Wikipedia biedt, waar ik zelf kan proberen meer dingen te begrijpen (hoewel ik waarschijnlijk zal falen).
#2
+7
craig
2013-07-23 03:45:06 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Er zijn een paar andere parameters waarmee u rekening moet houden. Het is een uitdaging om uit de zwaartekrachtbron van de aarde te komen. Een Saturn 5-raket van 6,2 miljoen pond (2800 ton) kan 120 ton (260.000 pond) in een lage baan om de aarde brengen (4% van de oorspronkelijke massa in een baan). Lancering vanaf de maan kan meer lading in een baan om de maan brengen met dezelfde massa drijfgas. De maanmodule woog 10.300 lbs (4700 kg) inclusief 5200 lbs (2400 kg) brandstof en kon een maanbaan bereiken met die kleine massa brandstof (~ 50% van de oorspronkelijke massa in een baan om de aarde, zij het met verschillende brandstoffen / efficiëntie).

Eenmaal in een baan om de aarde, omdat de massa van de maan lager is, is de ontsnappingssnelheid ook lager dan die van de aarde, en dat geldt ook voor de omloopsnelheid van Mars. Bovendien kun je rekening houden met de delta-V die je krijgt vanuit de baan van de maan rond de aarde, die 1 km / sec is in de richting van een Marsreiziger op een bepaald moment in de maand.

Dus van de grond naar de grond (aardoppervlak naar maanoppervlak versus maanoppervlak tot Marsoppervlak) is het geen verrassing dat de maan naar Mars minder drijfgas nodig heeft, vooral als je bedenkt dat je met een aerobrake zou kunnen werken om het vaartuig op Mars te vertragen. Het zou echter veel langer duren. Dit veronderstelt ook dat je een raket op de maan kunt maken. Als je de raket en zijn brandstof van de aarde moet halen, heeft dat geen zin, behalve dat je misschien langs de maan kunt slingeren na een lancering van de aarde, waarbij je zijn orbitale snelheid gebruikt om de snelheid van je vaartuig te verhogen terwijl het nadert en voorbijgaat, maar omdat de De massa van de maan is laag, je krijgt niet veel effect.

Vanuit het perspectief van Clarke was het toen waar en is het nu waar. Voortstuwingstechnieken veranderen de delta-V niet, alleen de tijd waarin de delta-V wordt toegepast (uitgaande van geen massaloze voortstuwing) en de vorm van de transferbaan.

#3
+4
szulat
2015-05-12 21:05:10 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Soms zegt een foto, vooral die van Randall, meer dan duizend woorden :)

https://xkcd.com/681/ (xkcd klassieker "Gravity Wells ")

Onder verwijzing naar de maker:

Deze grafiek toont de" diepte "van verschillende zwaartekrachtbronnen in het zonnestelsel. Elke put is zo geschaald dat het opstijgen uit een fysieke put van die diepte - bij constante zwaartekracht op het aardoppervlak - dezelfde energie zou kosten als ontsnappen aan de zwaartekracht van die planeet in werkelijkheid.

fragment of "Gravity Wells" by Randall Munroe, under CC-BY-NC

En ja, het beantwoordt de vraag niet, maar helpt misschien om een ​​van de concepten te visualiseren die nodig zijn om te begrijpen wat er aan de hand is. Misschien had ik het als opmerking moeten toevoegen ...?

Als je dit uitbreidt met hoe de grootte van de zwaartekrachtbron belangrijk is, en hoe de twee trips zich verhouden, heb je een volledig antwoord. Ik ben het ermee eens dat de illustratie nuttig is.
Een punt waarvan ik niet merkte dat het werd aangesproken, is de raketvergelijking. Dat wil zeggen, als je uit een zwaartekrachtbron ontsnapt, moet je niet alleen je uiteindelijke laadvermogen verhogen, maar ook alle brandstof die nodig is om het laadvermogen te krijgen en de brandstof om aan snelheid te ontsnappen. Vanaf de maan zou je dit alles of veel kunnen vermijden door te lanceren met een massabestuurder / katapult.
Een interessante afbeelding, maar met het oog op overdrachtsbanen is deze niet nauwkeurig / misleidend.
Heinlein heeft de katapult in "The Moon is a Harsh Mistress".
#4
+2
Jersey
2013-07-22 20:16:20 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ik neem aan dat een groot deel van deze vergelijking te maken heeft met de kracht en het materiaal dat nodig is om ontsnappingssnelheid te bereiken. De aarde heeft een veel hogere zwaartekracht, om nog maar te zwijgen van de luchtdruk (en een atmosfeer) waar elk ruimtevaartuig doorheen moet. Als ik het me goed herinner, moet een shuttle met een snelheid van ongeveer 5 km / sec ^ 2 vertrekken om Lagrange-punt 5 te bereiken. Terwijl de afstand veel groter is (de maan is ongeveer een kwart miljoen mijl verwijderd, terwijl Mars er net voor terug is. 5 AU's) zou je theoretisch alle brandstof kunnen gebruiken die nodig is om de aarde te verlaten voor de reis van de maan naar Mars door middel van constante versnelling / ontkoppeling, of zelfs de maan gebruiken voor een katapult (met behulp van de zwaartekrachtbron van een hemellichaam om een ​​hogere snelheden via ingewikkelde wiskunde, verhoudingen, hoeken en een zeer ballistische piloot). Wiskundig gezien is het waarschijnlijk gemakkelijker door cijfers, maar niet zozeer door het brandstofverbruik en de verbruikte voorraden; de tijd voor de reis zou een grote hoeveelheid voorraden vergen, om nog maar te zwijgen van brandstof om Mars te verlaten en de terugreis naar huis. Ik weet dat de echt enorme rode raket en de boosters er zijn om de snelheid van de ruimte te bereiken, dus je vraagt ​​je af hoe goed ze het in de ruimte zouden doen.

Misschien moeten we warp-drives krijgen a la Farscape.



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...