§ § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § § §

הטילה אקוורציה ומציאות של הדחף הכימי לחלל עמוק

החלום לשלוח בני אדם למאדים, לחקור את כוכבי הלכת החיצוניים, או להקים התנחלויות קבועות מעבר לכדור הארץ תלוי במציאות בלתי נמנעת אחת: הפיזיקה של הנעה טילים במשך עשרות שנים, רקטות כימיות היו מעשי העבודה של טיסה בחלל, הרמת מטענים משטח כדור הארץ ושולחות בדיקות על פני מערכת השמש, אך כפי שמתכננים המשימה נראים עוד יותר לתוך היקום, הם חייבים להתעמת עם הגבולות היסודיים המוטלים על ידי משוואות חלליות (Folt) לא יכולות לשלוט על ידי למערכות כימיות רבות: מדוע לא ניתן לשלוט על ידי טילים שאפתניות ביותר (מהירות) באופן משמעותי ביותר: 1.

קונסטנטינוס צ'ולקובסקי הביא את המשוואה ב-1903, והיא נותרה אבן הפינה של מדע הרקטות.הבנת ההשלכות שלה חיונית להערכת ארכיטקטורות המשימה העתידית - בין אם סוכנויות חלל ממשלתיות, מיזמים מסחריים, או שיתופי פעולה בינלאומיים. מאמר זה בוחן את משוואה הרקטות בעומק, חוקר את מגבלות המנועים של מנועי כימי, ומסקר את טכנולוגיות ההנעה שיכולות להרחיב את פני מערכת השמש הפנימית.

« הבנת הטיל הטסטולקובסקי

משוואה הרקטות פשוטה:

(ב) ויקרא י"ד): "וַיְהַבְהִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִי" (בראשית כ"ד, כ"ד)

איפה:

• (ב) ⁇ virFLT:1) הוא השינוי הכולל במהירות יכול להשיג (במטר לשנייה).
• (ב) ויקרא י"א: ויקרא י"א): "ה' (ב') ויקרא י' (ב') ויקרא י"ד): "ה' (ב"ה)" (במדבר כ"ד, כ"ד).
• (ב) ויקרא י"א:2 ויקרא:2 ויקרא: ויקרא י"ד: ויקרא י"ד): "הה'" (במדבר כ"ד, כ"ד).
• (ב) ויקרא י"א: ויקרא י"א: ויקרא י"א: ויקרא י"ד: "וַיָּבְהִיא עַדְהִיתִי" (בראשית כ"ד).

הגירוטאות הטבעיות של יחס המסה (mFLT:0ir0FLT:1/migFLT:2fcioFLT 3: 3) הופך את מערכת היחסים אקספוננציאלית כדי להכפיל את ה ⁇ v, יחס המסה חייב להיות מריבוע.

לדוגמה, טיל עם יחס המוני של 10 (כלומר 90% דחף) ומהירות ממצה של 3 ק"מ / s להשיג ⁇ v של בערך 3 × ln(10) 6.9 ק"מ / .זה מספיק עבור כדור הארץ מסלול כדור הארץ ממשטח (כ 9.3 ק"מ / סה"כ הפסדים הכלולים, אבל עם כוח הכבידה וגרור הפסד מעט יותר נדרש כדי לעבור ממרחק נמוך לכדור הארץ / מרחק של כ אורכו של כ 9.3 ק"מ / 1 ק"מ / 1 ק"מ / 3 ק"מ / 3.

למה לא להאמין לוולעיר

(ה) מהירות הממצה יעילה vigFalLT:0) , הוא הפרמטר החשוב ביותר של מנוע טילים.זה נקבע על ידי תוכן האנרגיה של הדחף ואת עיצוב ה- Nozzle. עבור רקטות כימיות, הגבול הבסיסי מגיע מן האנרגיה הכימית המאוחסן בדלק ו-oxidizer.

לא תגובה כימית יכולה לעלות על כמה אלקטרו-וולטים למולקולה של אנרגיה.הקצבה מכסה מהירות ממצה בערך 5 ק"מ / s, לא משנה כמה אקזוטי דחף.כדי להגדיל את virFLT:0ecioFLT:1 באופן משמעותי, מהנדסים חייבים לפנות מקורות אנרגיה אחרים: גרעיני תרמי, חשמל, או אפילו היתוך.

גבולות טילים כימיים על המשימה העתידית

משוואה הרקטות חושפת את המציאות האכזרית של הנעה כימית למשימות חלל עמוקות.חשבה על משימה פשוטה של שני שלבים למאדים.מסלולי כדור הארץ התחתון, חללית צריכה בערך 3.6 ק"מ / ⁇ v להעברת למאדים, בתוספת עוד 0.7 ק"מ / שעה שהרכב המפנה אל מאדים (אם לא יוסיף יחס של שבץ), ואולי 0.5 ק"מ / ירידה בסך הכל כ 5 ק"מ / 5 ק"מ / 5 ק"מ) עם מנוע כימי:

למשימות מעבר למאדים, הבעיה מורכבת.משימה לירח של יופיטר אירופה דורשת ⁇ v של בערך 6 ק"מ / מסיבוב כדור הארץ (כולל לכידת) הדורש יחס המוני של eveFLT:0(6/4.4)FLT:1 ⁇ 3.9, או 74% מדחף אל מעבר לשבר של שבתאי עם ⁇ v דומה, אותו ההיגיון מחזיק עבור כוכבי בין כוכבים קטנים יותר, או יותר מ ⁇ מ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

למגבלות הללו יש השלכות ישירות על עיצוב המשימה:

• (FLT:0) מטענים מסה הוא חדור בכבדות.אנדרל 1 (הראשונה ל- 10) כל קילוגרם של מכשירים מדעיים, מגן או התאמות צוות דורש ק"ג של דחף כדי להאיץ אותו.
• (FLT:0) שיגורים כבדים של רב-ממדיים נדרשים ל-FIRLT:1 כדי להרכיב חללית גדולה במסלול, כמו מערכת שיגור שבתאי V או חלל (SLS) לא יכולה להרים כלי רכב בין-כוכביים מקרקע.
• (ב) ,0 פעמים נסיעה הופכות ארוכות מאוד ( 1FLT) אם ⁇ v הוא מצמצם.העברה ההומן הקלאסית למאדים לוקחת כ-260 ימים; עבור צדק זה מעל 2.5 שנים.העברה מהירה יותר דורשת יותר ⁇ v, עוד יותר הגדלת צרכי דחף.

הבעיה הבסיסית היא כי רקטות כימיות הגיעו לתקרת הביצועים המעשיות שלהם.מהנדסים יכולים לייעל את לחץ תא ההבעירה, יחסי התרחבות נוזל, ותערובת מונעת, אבל ה-max ⁇ v per במה נשאר מתחת 10 ק"מ / עבור רוב המשימות המאוישות מעבר לירח, זה לא מספיק ללא צורך בחלבונים כבדים או החלפה רציפה.

השוואת טכנולוגיות ל-Auto Propulsion Systems

מכיוון שמשוואה הרקטות מראה שגם דרישות ⁇ v צנועות כוח צמיחה המונית אקספוננציאלית עם נטייה כימית, חוקרים רבים טוענים כי פיתוח טכנולוגיות הנעה מתקדמות.ה חלופות נופלות לקטגוריות אחדות, כל אחת עם עצירות סחר משלה בין דחף, יעילות ומעשיות.

הרשאה גרעינית (NTP)

רקטות תרמיות גרעיניות משתמשות בכור גרעיני כדי לחמם את הדחף (ממן זמני) לטמפרטורה גבוהה, ואז ממצה אותו דרך נושלה.מקור האנרגיה אינו מוגבל על ידי אג"ח כימי, כך דחף ספציפי יכול להגיע 800-900 שניות, בתרגום ל- vFLT:0eFLT 1 ⁇ 8-9 ק"מ למד NTP באופן נרחב במהלך R / NVA ב קרינת Rlant גבוהה יותר ב .

חשמל הנעה (Ion and Hall Thrusters)

מערכות הנעה חשמלית משתמשות בשדות חשמליים כדי להאיץ את הזרמים או פלזמה למהירויות גבוהות מאוד (10-50 ק"מ / s) אימפולס ספציפי יכול לעלות על 3,000 שניות.המסחר הוא דחף נמוך מאוד, כלומר ספירלות ארוכות, נמוך-הפחתת-המכרה מתוך מסלול כדור הארץ.לדוגמה, החללית של נאס"א משתמשת בזרימת כדי להגיע לאוסטה ו Ceres, להשיג ⁇ גבוה לאורך שנים רבות, כי לא ניתן לבצע מטענים כימיים מהירים יותר, אם הם יכולים לספק משימות אלקטרו-D.

סולריות סולריות

מפרשים סולאריים משתמשים במומנטום של פוטונים מהשמש כדי לייצר דחף – לא צורך בדחף, בעוד האצה היא זעירה, היא רציפה. במשך חודשים ושנים, מפרש יכול להשיג מהירויות גבוהות.המשימה היפנית IKAROS ואת ה- Planetary Society's FLT:0 LightSailFLT:1 מפגינים תאימות לשמש הם יעילים ביותר עבור מערכת השמש הפנימית ובריחה מהירה מאוד עבור מהירות, אך הם לא דורשים שינויים מהירים עבור מערכת השמש.

Fusion and Advanced Concepts

פיוז'ן נטיעתה נותרה מטרה ארוכת טווח אם כור היתוך קומפקטי יכול להיות בנוי להשגת יחס גבוה לחמאס, דחפים ספציפיים של 10,000 שניות או יותר עשויים להיות אפשריים.זה ישנה נסיעות בין כוכבי לכת, מה שהופך משימות לשגרת כוכבי הלכת החיצוניים.TheFLT:0 European Space AgencyFLT:1 חקר היתוך ב- Advanced Concepts Team, אבל עבודה היא ככל הנראה מנוע מתמשך יותר.

כיצד הטילה quation Informs Mission Architecture

בהתחשב במגבלות של רקטות כימיות, מתכנן המשימה להשתמש משוואה טילים כדי לייעל את העוקץ, בתוך שטח reroling, ואת עיצוב trajectory. Staging מאפשר לשפוך מסה יבשה כמו דחףlant הוא נצרך, שיפור יחס המסה הכולל.השבת Vpot השתמש שלושה שלבים; מעבורת החלל המשמשת מקבילה עם מגברי טילים חזקים.עבורות עתידיות, שיגורים מרובים כמו חללית מחלחלת במסלול יעיל יכול למעשה למנוע מספר כפול של נאס"אמסה של נאס"א.

משוואה הרקטות גם שולטת בביצוע של FLT:0gravity AssistsigitalsFLT:1 . בעוד תמרונים של ריצוף יכול להגדיל ⁇ v ללא דחף, הם דורשים היערכות פלנטרית מדויקת וזמני נסיעה ארוכים.שלב נטייה כימית עם עזרי כבידה הוא טכניקה מוכחת - החללית וויאג'ר השתמש במספר סיועים מרובים כדי להגיע לכוכבי הלכת החיצוניים.

עבור משימות מאוישות, המשוואה מטילה מגבלות קשות על זמן המעבר (למשל 150 ימים למאדים) דורשת ⁇ v סביב 6 ק"מ / 1 בדרך אחת.שימוש במנועי כימי עם virFLT:0euaFLT:1=4.4 ק"מ / s, יחס המסה לרגליים מייצר ELT:2(4.4)FLT:3 ⁇ 3.9lan כלומר, כלומר, לעומת זאת, יחס דלק חד פעמי של פחמן דו"מ, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, לעומת זאת, הוא דחף המוני של רכב דומה, עבור רכב על פני כדור הארץ.

מחקרים: איפה עדיין עובד הדחף הכימי

למרות מגבלות אלה, טילים כימיים נותרו הבחירה הטובה ביותר עבור משימות רבות.כל משימה לעזוב את פני כדור הארץ חייבת להשתמש במניעה גבוהה-הרוסית להתגבר על הכבידה והאטמוספירה.הנעה חשמלית לא יכולה להרים אפילו את המסה שלה מהקרקע.עבור משלוח מסלול כדור הארץ נמוך, בדיקות עריצות פלנטריות ואפילו משימות ירחיות, הנעה כימית מוכחת.מערכת שיגור החלל ותנועת החלל של SpaceX משתמשים במנועי כימיקלים עבור משוואות כדור הארץ לאטמוספירה של מטוסים מתוחכמות של מטוסים.

עבור משימות הירח, ה ⁇ מ LEO אל פני הירח הוא בערך 6 ק"מ / טיול עגול (כולל נחיתה ועלייה) שימוש במנועי כימי עם vleaFLT:0eigFLT:1 ⁇ 4.4 ק"מ /s, יחס המסה של הנסיעה העגול הוא eFLT:2(4.4)FLT 3 ⁇ ⁇ ⁇ 3.9, אשר מנוהל עם שלב גדול או יחיד של אפולו הם אלה אשר השיגו אז, עם שלבים קטנים יותר, עם שלב שלישי.

עבור מאדים, המשוואה הופכת להעניש בגלל כניסה אטמוספירית והצורך במגן כבד, בתי גידול, ומסה של כדור הארץ-החזרה. אנליסטים רבים טוענים כי הנטושה תרמית גרעינית או מטענים חשמליים הכרחיים כדי להפוך את משימות מאדים אדם מעשי. משוואה הרקטות מראה בבירור כי ללא FLT:0 גבוה יותר אימפולס ספציפי יותר FLT:1 או FLT:2in-itulant מניעה ייצור של 3.

הדרך קדימה: אדריכלות היברידית

הפתרון הקרוב ביותר לקביעת כדור הארץ הוא שילוב של חומרים כימיים ולא כימיים.גישה של שני שלבים עשויה לכלול טילים כימיים לשיגור כדור הארץ ויציאה, ואחריו כוונונים תרמיים חשמליים או גרעיניים להפלגה בין כוכבי הלכת.עבור מטען, נטייה חשמלית נמוכה-הרוסית יכולה לספק ציוד לאורך תקופות ארוכות, בעוד כלי רכב מאוישים משתמשים במנועי גרעין גבוהים כדי להפחית את החשיפה של נאס"א לחשמל הבא:0 מובלות חשמליות, אשר יכולות לפתח רמות כוח מחשמליות ל-41 ליטרים, אשר יכולות לפתח את הדחף ל- 1 קילו-חשמליות.

ארכיטקטורת הכוכבים של SpaceX, בעוד שכימיקלים מלאים, דוחפת את הגבולות באמצעות פלדה דלת-על-על-פי-על-פי-על-פי-החלל, ודחף מסיבי ממנועי רפטור, בין אם זה יכול להשיג את יחסי המסה הדרושים למאדים נשאר להיות מוכח, אבל זה מוכיח כי שיפורים מצטברים בחומרים ובייצור עדיין יכולים להניב רווחים.

המשוואה:0 (FLT:0) רוקט משוואה FLT:1 אינה מחסום כביש - זהו כלי עיצוב.על ידי קביעת הסכם הסחר בין שכר, מהירות וביצועי מנוע, הוא מדריך מהנדסים לבחירות הגיוניות.עבור המשימות השאפתניות של העשורים הבאים - חזרה לירח, שליחת בני אדם למאדים, לחקור את אירופה או טיטאן - המשוואות מזכירות לנו כי רקטות כימיות אינן מספיקות, אלא רק, אלא של עידן של אנרגיה גרעינית, אם כן, אם כן, או מעבר גרעיני, אם כן, או זרם חשמלי, יהיה, אם כן, אם כן, או טיטאן, אם כן, אם כן, אז, אם כן, אם כן, הוא יהיה, אם כן, הוא יהיה אפשרי, אם כן, אם כן, אם כן, הוא יהיה, אם כן, אם כן, או זרם אנרגיה גרעינית, או זרם אנרגיה גרעינית, אם כן, או טיטאן – המשוואות מזכיר לנו, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, הוא מזכיר לנו, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, הוא מזכיר לנו, אם כן, הוא יגדירו, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן,

מסקנה: הדגשת הגבולות כדי להרחיב את הגבול

משוואה טילים טיסקולובסקי מתוארת לעתים קרובות כמגבלה מדכאת, אבל למעשה היא מפה.זה מראה בדיוק היכן שהמניעה הכימית נופלת קצרה וכאשר טכנולוגיות חדשות יכולות לספק פריצות דרך. על ידי הבנה כי מהירות ממצה היא המנוף שמניע את יחס המסה, אדריכלים המשימה יכולים לאשר מחקר במנועי הסרול ספציפי, מחסנים מהירים, והאמת היא לא הסיבה הכימית לנטיעת חלל - הם עמוקים לחשיפה לטילים עמוקים.

בעודנו דוחקים מעבר למסלול כדור הארץ הנמוך, משוואה הרקטות תישארו בני לוויה הקבועים שלנו.זה לא השתנה מאז שטיסקולקובסקי כתב אותה למטה.אבל הטכנולוגיות שאנו מיישם על כך יכולות – וחייבות – להתקדם אל כוכבי הלכת החיצוניים ומעבר לכך, כל אחד מתאים לשלב של המשימה.