Pitanje:
Što trenutno ograničava brzinu svemirskih sondi?
SF.
2013-07-25 13:03:24 UTC
view on stackexchange narkive permalink

... očito osim proračuna.

Naša računala danas su dovoljno dobra da bismo mogli biti sposobni poslati sondu u susjedni zvjezdani sustav i natrag i dobiti prilično dobra izvješća o analizi. Imamo baterije koje bi preživjele stotinu godina prije nego što ih samopražnjenje učini beskorisnima, i medije koji će prikupljene podatke čuvati dugo nakon toga. Čini se da je trenutna zapreka brzina sondi - trebalo bi puno više da se dosegne toliko daleko koliko bi bilo koja naša oprema mogla preživjeti u ispravnom stanju. Potreban nam je bolji pogon da bismo rezultate dobili u bilo kojem razumnom vremenskom okviru.

Dopustite mi da prvo postavim pitanje na vrlo kratak i nekonstruktivan način: Zašto nemamo bolji pogon?

A sad nešto manje subjektivno: protiv kojih se prepreka znanstvenici trenutno bore i koji čine pogon naših sondi preslabim da bi se praktički razmišljalo o misijama izvan Sunčevog sustava? Postoje li neka opravdana predviđanja ili projekti pogonskih sustava koji bi znatno poboljšali ono što imamo? Ili je to samo proračun? Dajte mu dovoljno velik spremnik za gorivo i on će letjeti onoliko brzo koliko mi želimo? Ili postoje druga razmatranja poput sigurnosti u slučaju nuklearne energije?

Uz problem pogona, imajte na umu da što dalje izlazite, to je veći gubitak puta za komunikacijski kanal. Za povratni kanal (tj. Sondu na Zemlju), to znači da sonda mora prenositi s više snage ili prijemnik na Zemlji mora biti veći i bolji. Pojednostavljeno, količina energije potrebna za bit komunikacije postat će usko grlo (vjerujem da raste za otprilike r ^ 2).
@robguinness: Postoje dva rješenja za to: 1. Sonda se vraća, 2. postavljamo "releje" na put. Mogu biti segmenti koji ostaju nakon sonde ili ih možemo ciklično lansirati svakih nekoliko godina kako bismo išli u korak sa sondom, tako da cijeli lanac putuje prema odredištu "odmotavajući se" sa Zemlje.
To je istina. Ali, naravno, obje opcije imaju trošak, pa bi se trebala provesti detaljna trgovinska analiza između dodavanja jednostavnog dodavanja veće snage odašiljanja i dodavanja mogućnosti povratka ili relejne infrastrukture. Moja poanta bila je uglavnom u tome što pogon nije jedino usko grlo za misije u dubokom svemiru. Voyager 1 ide sve dalje i dalje prema rubovima Sunčevog sustava, ali na kraju neće imati dovoljno snage za prijenos značajnih informacija natrag na Zemlju.
Predlažem da naslov promijenimo u „koje su granice ubrzanja svemirskih sondi trenutno", jer su ograničenja brzine tehnički * zakoni fizike *, problem OP-a zapravo je ubrzanje * do * brzine.
@RhysW: Ne bih se u potpunosti složio. Imamo izuzetno moćne sustave za ubrzavanje, ali oni rade po nekoliko minuta, tako da povećanje brzine i nije tako sjajno. Moramo natjerati sonde * da se kreću brzo *, dajući im veliku brzinu. Očito [snaga ubrzanja * vrijeme ubrzanja] ograničava tu brzinu.
Da biste doslovno odgovorili na naslovno pitanje: Koliko se možete približiti Suncu. MESSENGER se prilično približio kruženjem Merkura i tako doseže oko 62 km / s u odnosu na Sunce, uključujući brzinu njegove orbite oko Merkura ako i kada je u istom smjeru. Mislim da je to brzo kao i sve što smo napravili. (Sonda Galileo nije čak tako brzo ušla u Jupiterovu atmosferu.)
Opet sa scenarijem "voska za pod I preljev od pustinje". * Ubrzanje * je ograničeno u * vremenu *. Trebala bi postojati bolja riječ za "proizvod ubrzanja i vremena!" Kad bismo se samo mogli sjetiti jednog ...
@uhoh: $ {m \ over {s ^ 2}} \ cdot s = {m \ over s} $ i tako svi i njihova teta to nazivaju delta-V. Samo što naziv ne obuhvaća koncept sa komponentama. To je nekako kao Work vs Energy, jedno je sila pomnoženo s udaljenostom, drugo je ... razne stvari, ali to je potpuno ista količina.
@SF. Ups, zaboravio sam dodati međunarodni znak za lagodnost - ":)" Ali sad kad ste ga spomenuli, ipak sam pomalo zbunjen. OK, poradit ću na tome. Hvala!
@uhoh: Moja poanta i dalje stoji. Delta-V prema [vremenskom * ubrzanju] je poput energije koja treba raditi.
Lanac releja? Mislite li množiti mogućnosti kvarova N * relejima? Ne zvuči mi tako dobro. Osim toga, tko zna kakve političare koji smanjuju proračun potiču ...
@SF. Ne znam kako se više dogovoriti! Da, da!
šest odgovori:
#1
+15
RhysW
2013-07-25 13:52:27 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Djelomično su to isti problemi kao i problem pokretanja. Ako stavite više goriva u spremnike goriva raketa, tada povećavate masu. Zatim za podizanje tog goriva trebate dodati malo više goriva za podizanje tog goriva, i tako dalje i tako dalje.

Sličan problem postoji sa trenutnim pogonskim sustavom na sondama, ali prije nego što uđem u to Objasnit ću (vrlo kratko) putovanje u svemiru kako bismo mogli razumjeti problem.

Putovanje u svemiru (pod pretpostavkom da putujete u ravnoj liniji)

Putovanje u svemiru nije isto što i putovanje kopnom. Za putovanje kopnom potrebno je stalno sagorijevanje goriva kako bi se mogla nadoknaditi brzina izgubljena zbog trenja, otpora zraka itd.

Putovanje u svemiru ne funkcionira na isti način, ne zahtijeva stalnu gori, potrebno je da sagorite dovoljno goriva da pokrenete masu na onu početnu brzinu, a zatim dovoljno da sagorite unatrag da biste se usporili na odredištu.

(Što nije pola-pola, potrebno je više sagorjelog goriva da bi se ubrzalo, nego da bi se usporilo, jer usporavajući dio ima manju masu, jer izgubljeno gorivo možemo popustiti kako bi ubrzalo u prvom mjesto.)

Povratak na problem

Ok, tako da bismo mogli samo dodati još goriva u sonde, ali onda smo naletite na isti problem kao i lansiranje, dodavanjem dodatnog goriva dodaje se dodatna masa kojoj je potrebno dodatno gorivo za sagorijevanje kako bi se povećana masa pokrenula na iste brzine koje smo željeli.

Pa stvarno što koju želimo je metoda pogona koja nije postojeći tekući i kruti postupak.

Kao što vidite ovdje, NASA već ima neke alternativne ideje koje žele isprobati za pogon, Ukratko ću ih pokriti u nastavku u slučaju da veza umre.

Nuklearni toplinski pogon

Nuklearni toplinski pogon - zagrijava tekućinu, obično vodik, u visokotemperaturnom nuklearnom pogonu reaktor koji stvara potisak za pomicanje rakete u svemiru

NASA očekuje da će ova vrsta pogonskog sustava biti puno lakša i učinkovitija metoda pokreta brodova u svemiru.

Međutim, svaka srebrna podstava ima oblak i to nije iznimka. Ono što nam trenutno stoji na putu da koristimo ovaj sustav je ekstremna poteškoća u održavanju vodika u tekućem obliku.

Kao što vidite ovdje, vodik treba držati na 20 Kelvina da ostane u tekućem obliku. To predlaže mnoge tehničke izazove, prvo da se temperatura smanji na takvu razinu, a zatim opet kada se pokušava zaustaviti zagrijavanje tekućeg goriva od visokih temperatura ispušnih plinova!

I nemojte se varati, tehnički problemi s korištenjem tekućeg vodika nisu u nedostatku pokušaja. u stvari ideja da se tekući vodik koristi kao gorivo postoji od barem pedesetih godina prošlog stoljeća!

Pogon na plazmi

NASA također istražuje pogonski sustav zasnovan na plazmi nazvan projekt VASIMR.

Ideja je koristiti nuklearni reaktor (opet) i vodik (opet) za ionizaciju vodika i eksplozije to kroz magnetsku mlaznicu.

Očito je to tehnički vrlo zahtjevno, ali postoji i problem da plazma mora biti magnetno zaštićena od hardvera broda ili uzrokuje eroziju elektroda u samim motorima.

(Oprostite što ne poznajem fiziku oko toga kako taj bit zapravo radi.)

Da ne spominjem da bi vam također trebala energija za pogon nuklearnih reaktora u svakom projektu.

Dakle, stvarno koristimo pogonske sustave temeljene na kemikalijama jer su alternative tehnološki skupe i teške. Borit ćemo se za to da kemijski pogonski sustavi više pokreću zbog problema množenja goriva (osim ako ne nađemo učinkovitija goriva). Ali zapravo najveći problem nije toliko pogon, već udaljenost!

Na primjer, svemirska stanica nas trenutno obilazi oko 18.000 milja na sat, kružeći oko Zemlje jednom u 90 minuta.

Svemirska letjelica Apollo koja je letjela na Mjesec putovala je brže od toga, otprilike 24.000 milja na sat. Ovakve su brzine nezamislive za putovanje zemljom, jer su stotine puta brže od bilo kojeg mlaza.

Dakle, moj argument počiva na ovim točkama, problemu s gorivom, nedostatku jednostavnih alternativa, cijeni goriva, pukoj udaljenosti.

Ne spominje se pogonski sustav zasnovan na solarnoj energiji? Naravno, počinju postajati manje učinkoviti kako se sonda udaljava od Sunca, ali zauzvrat dobivaju veću učinkovitost dok se približavaju drugim zvijezdama ...
@robguinness dobra stvar, nisam to smatrao, pronaći ću još podataka i urediti ih u
@robguinness, mogli biste tvrditi da to tehnički već radimo, Juno će jupiter raditi samo putem sunčeve energije
Da, plazma potisnici na solarni pogon koriste se već dugi niz godina, posebno u HEO komunikacijskim satelitima. Drugi oblik je tehnologija solarnog jedra koja koristi zamah fotona izravno za pokretanje svemirske letjelice. Ovo je puno eksperimentalnije, ali neke demonstracijske misije letjele su kao dokaz koncepta.
Problem s vrelištem vodika težak je, ali nije riješen. Vodik se već dugo koristi kao gorivo, obično gori tekućim kisikom. Koristili su ga i svemirski brodovi.
@Linuxios, rješenje je bilo trošenje vodika prije nego što toplina postane problem. Držati tekućinu vodika sat vremena mnogo je lakše nego držati ga tekućim godinama.
Može li se vodik skladištiti u ugljikovodiku, recimo u metanu, i kemijski raspadati da bi se napajao u motor? Što se tiče ugljika, ne bi li se i on mogao koristiti kao pogonsko gorivo na isti način?
#2
+5
John Bode
2016-08-25 22:17:30 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Trenutno , primarno ograničenje je da zaglavimo u reakcijskim pogonima, što znači da morate ubrzati pogonsku masu da biste ubrzali svemirsku letjelicu. Dakle, vaš ukupni ΔV (promjena brzine) ograničen je količinom pogonskog goriva koju možete nositi i učinkovitošću vaših motora kako je navedeno u jednadžbi rakete Tsiolkovsky

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

gdje je MR omjer mase

$$ MR = {M_ {svemirska letjelica} + M_ {pogonsko gorivo} \ nad M_ {svemirska letjelica}} $$

Bespilotna letjelica Dawn koristi ionski motor sa specifičnim impulsom (I sp ) od 3100 sekundi, što je trenutno najučinkovitiji motor u uporabi za koji znam . Ako letjelica nosi vlastitu masu u pogonskom gorivu ($ M_ {svemirska letjelica} = M_ {pogonsko gorivo} $, za MR od 2), to znači da možemo dobiti ukupni ΔV od ~ 21057 m / s. Brzo, ali ne i brzo međuzvjezdana putovanja. Ako letjelica nosi 9 puta veću masu od pogonskog goriva (MR = 10), možemo dobiti do ~ 69953 m / s. Bolje, ali još uvijek nedovoljno dobro za međuzvjezdani let. Da bi svemirska letjelica slična Zori dosegla 0,01 c (~ 3.000.000 m / s), trebao bi nam omjer mase reda 5,0 * 10 ^ {41} $. 1 sup>

Postoji praktična gornja granica količine mase koju možemo lansirati s površine Zemlje, što ograničava količinu pogonskog goriva koju možemo poslati svemirskom letjelicom.

Postoje dva načina zaobilaženja problema - jedan je ubrzanje letjelice pomoću EM zračenja protiv jedra. Postoji projekt pod nazivom Breakthrough Starshot koji želi koristiti zemaljsku banku teravatnih lasera za ubrzanje svemirske letjelice u gramu do 0,2 c (59958491 m / s) u prostora od oko 10 minuta. Brojne su i ideje o korištenju jedra sa sunčevim vjetrom sa Sunca.

Drugi je stvaranje istinskog pogona bez reakcije (kao što je pogon Alcubierre ili EmDrive), koji ima niz problema (od kojih je najmanje važno kako zaobilazite očuvanje impulsa i slične stvari).


  1. Činjenica da ΔV raste s logaritmom mase omjer je ono što jednadžbu rakete čini toliko tiranskom. Svaki kilogram pogonskog goriva koji dodate mora se ubrzati zajedno s letjelicom, što dovodi do smanjenog povrata. Zbog toga prije ponovnog ulaska nismo raketama usporavali svemirske letjelice Apollo ili orbite Shuttle; samo se pretvorio u previše mase za pokretanje.

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

Jednostavno rečeno: Učinkovitost goriva i pogona.

Moguća je maksimalna količina promjene vektora na temelju opterećenja goriva na brodu i učinkovitosti pogona u pretvaranju tog goriva u promjenu vektora.

Za ubrzanje (što je sinonim za promjenu vektora) za određeno vrijeme potrebna je zadana količina goriva. Sve to gorivo mora biti na brodu i ne postoji način za učinkovito punjenje gorivom u letu.

Dakle, gorivo i pogonska učinkovitost kombiniraju se da bi stvorili maksimalni ukupni vektor.

A ukupni vektor je sinonim za brzinu.

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

Ograničeno je koliko moćne i guste možemo izrađivati ​​lasere. Koncept laserskog jedra suočava se s problemima pogonskog goriva i jednadžbom rakete, i tako nudi obećanje o najvećim mogućim brzinama. Naravno, ne bi bilo lako.

Ne baš - ni snaga ni gustoća zapravo nisu bitni jer ništa ne govori da možete imati samo jedan lansirni laser. Možete ih gomilati koliko vam treba, ograničenje je koherentnost snopa.
#5
+3
Anthony X
2014-04-09 06:13:58 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Delta-V koje svemirsko vozilo može postići ovisi o jednadžbi rakete. Svodi se na udio ukupne mase koja se može izbaciti kao pogonsko gorivo i na brzinu te izbačene mase. Brzina istjerane mase ovisi o količini uskladištene energije koja se može pretvoriti u kinetičku energiju.

Kemijske rakete imaju samo toliko kemijske energije pohranjene u reaktantima (što je ujedno i pogonska masa), koja određuje graničnu brzinu istisnutog pogonskog goriva, što nameće gornju granicu postignute delta-V vozila.

Prelazak na drugu vrstu pogona u kojem se pogonska masa izbacuje mnogo većom brzinom može teoretski dopustiti vozilu postizanje mnogo većih brzina. Naravno, pretpostavlja dostupnost izvora energije koji može pohraniti puno više korisne energije po jedinici mase goriva - poput nuklearne, i postavlja pitanje kako ubrzati pogonsko gorivo.

VASIMIR je jedan od primjera potisne tehnologije koja ispušne plinove izbacuje daleko većom brzinom nego što je to moguće postići kemijskim gorivima. Možda nije tehnologija za pokretanje međuzvjezdane sonde (čini se da nekoliko čimbenika ograničava delta-V to bi se moglo primijeniti na svemirsku letjelicu), ali neka druga tehnologija čiji je cilj učiniti isto (ispuh vrlo velike brzine) to bi mogla učiniti.

Do neke se mjere svodi na novac - za financiranje istraživanja i razvoja novih pogonskih tehnologija. Ali to se također svodi na osnovnu fiziku.

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

Vrlo općenito govoreći, reakcijski motor djeluje izbacujući energiju straga kako bi pokrenuo prema naprijed. Sada, prema srednjoškolskoj fizici, energija koju dobivamo za bacanje komadića mase (u našem slučaju pogonskog goriva) je

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

Dakle, što brže izbacimo masu, dobivamo više energije po jedinici mase. U raketnom pogonu to se naziva Brzina ispuha ($ Ve $), a izvedena količina naziva Specifični impuls ($ Isp $). Veće brzine izjednačavaju se s boljom učinkovitošću, sve do apsolutne maksimalne brzine od $ c $, u tom se trenutku matematika u srednjim školama raspada i jednadžba počinje izgledati više kao $$ Ke = {MC ^ 2 \ preko sqrt (1- (V / C) ^ 2)} - MC ^ 2 $$ Primijetite kako sam rekao Energija umjesto Masa. Fotoni se kreću apsolutnom maksimalnom brzinom koju će svemir dopustiti i jesu dakle savršeno gorivo za raketu. Tehnički gledano, jednostavna svjetiljka apsolutni je vrh raketne tehnologije .... Osim jednog malog problema.

Dok fotoni pakiraju maksimalno moguću kinetičku energiju po jedinici mase ( Kako fotoni imaju kinetičku energiju bez mase je izvan mene, ali oni to imaju. Nazovimo to jednostavno masom radi jednostavnosti ), njihova masa je neizmjerno sićušna. Vaša bi svjetiljka mogla biti apsolutni vrh Učinkovitosti , ali njezin stvarni potisak praktički nije ništa. Trebale bi vam godine da primijetite da se vaša svjetiljka uopće pomaknula, što nas dovodi do drugog problema.

Iako bi vam trebale godine da se raketa svjetiljke počne micati, baterije bi trebale samo satima umrijeti. Da bismo našoj fotonskoj raketi dali životni vijek i snagu da išta poduzme, morali bismo koristiti malu nuklearnu elektranu kako bismo je napajali. Uz svu tu dodatnu masu, naše ionako sićušno ubrzanje zgužvano je stotinama tona reaktora.

Tehnologije poput ionskih pogona i VASMIR suočavaju se sa sličnim ograničenjima. Da bi u svoju reakcijsku masu položili dovoljno energije da bi bili učinkoviti , moraju smanjiti protok pogonskog goriva do malene kapljice onoga što bi mogao biti, što znači da imaju vrlo, vrlo nizak potisak Uz to, oni također trebaju velike količine električne struje, što znači da se suočavaju s istim problemom kao i naša raketa s nuklearnom baterijom.

Uzimajući sve to u obzir, sveti gral raketne tehnike bio bi motor s velikim potiskom i visokom učinkovitošću. Trenutno je tek nekoliko teoretskih kandidata za naslov, poput Zurbin NSWR ili Project Orion. Većina, ako ne i svi od njih, imaju prilično ozbiljnih nedostataka, a budući da jedan od njih uključuje upotrebu nuklearnog oružja za pogon , malo je vjerojatno da će uskoro dobiti financijska sredstva.



Ova pitanja su automatski prevedena s engleskog jezika.Izvorni sadržaj dostupan je na stackexchange-u, što zahvaljujemo na cc by-sa 3.0 licenci pod kojom se distribuira.
Loading...