Rocket Equation ve Deep Space için Kimyasal Prodüksiyonun Gerçekleri

Insanları Mars'a gönderme rüyası, dış gezegenleri keşfetme veya Dünya'nın ötesinde kalıcı yerleşimler kurma hayalleri, roketin ittilatına izin vermemektedir.For on yıllardır, kimyasal roketler uzay ışıklarının iş kümeleri olmuştur, hızdaki ödeme yüklerini kaldırmaktadır (345)[Dönetici planlayıcılar kozmosta daha fazla bakarlar, Tsiolkovsky roket denklemi tarafından dayatılan temel sınırları ortaya çıkarabilirler.

Konstantin Tsiolkovsky, 1903'te denklemi elde etti ve bu, gelecekteki misyon mimarlıklarını değerlendirmek için gerekli olan roket biliminin temel taşı olmaya devam ediyor - hükümet uzay ajansları için, ticari girişimler veya çok uluslu işbirliğiler için. Bu makale, roket denklemlerini derinlikte inceler ve insanlığın iç Güneş Sisteminin ötesine uzatabilecek propulsion teknolojileri araştırıyor.

Tsiolkovsky Rocket Equation

Roket denklemi aldatıcı basit:

[FONT=0) {0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|0|[D][/FONT=)[D)[D))[D))[D))[D))))))[D)))))))[D)))

Nerede:

  • [FONT:0] {{v[DÜT:1], roketin elde ettiği toplam değişikliktir (İkinci başına metre).
  • [FONT:0][Dönetici:0][Dönetici:0][Dönetici:0)))))))))))))))) Belirli bir dürtü ile doğrudan ilişkili (I[FLT: 4) motorun
  • [FONT:0] ) roketin ilk toplam kütledir (provantör, yapı, ücret yükü dahil).
  • [FONT:0] [Dönetici] [Düzücük, kuru kütleyi yakmadan sonra son kitledir.

Kitle oranının doğal logarithm ([Dönetici:0) 0[Dönetici:0)[Dönetici:2)[Dönetici: 3 ) İlişkisini üst üste çıkarmak için, {{v’i ikiye katlamak gerekir. {{v, {{v, bu derin sonuçlar doğurmalıdır: daha fazla hıza ihtiyaç duyar.

Örneğin, 10 (yüzde 90'lık bir pervanant) ve 3 km/s'in egzoz hızı yaklaşık 3 × ln (10) ⁇ 6.9 km/s. Dünya yörüngesine ulaşmak için yeterli (yaklaşık 9 km / toplam kayıplar dahil olmak üzere) ve Dünya yörüngesine kadar düşük Dünya yörüngesinden düşük bir düşüşe kadar olan her bir artış için gerekli olan bir miktar daha fazla.

Neden Eğlenme Velocity Maddeleri

Etkili egzoz hızı v)[[Dönetici: 0))[Dönetici: 0,4,5 km/seçmiş ve en iyi tasarıma göre, RL10 veya RS-25 (Ana motor) gibi, en sıcak yanma reaksiyonları (varda) ile yakıt ve oksitleyici olarak üretilen hidrojen, oksijenle yakılır.[Dönemli motorlar için% 4,4,4,4,4,4,4,4,5 km/s)

Kimyasal reaksiyon, enerji molekülü başına birkaç elektron voltunu aşamaz. Bu kısıtlama kapları kabaca 5 km /s, ne kadar egzotik pervaneyi artırmak için v)[Dönemli olarak, mühendisler diğer enerji kaynaklarına dönmeli: termal nükleer, elektrik veya hatta füzyon.

Limitler Kimyasal Rockets Future Missions'ta Yeri

Roket denklemi, uzay görevleri için kimyasal tahrikin vahşi gerçekliğini ortaya koyar. Basit bir iki aşamalı görev Mars'a göz atın. Düşük Dünya yörüngesinden, bir uzay aracının Mars'a transfer etmesi gerekir, artı başka 0.7 km/s, Mars'a geçiş yapmak için gerekli kütle oranı (eğer aerobraking değil), ve belki de 5 km / 4 ) Bu yüzden, bir kimyasal motor kullanarak, = 4,4,4,5 km/s)

Mars'ın ötesindeki görevler için, problem bileşikleri. Jüpiter'in aktığı bir görev, 345v'in yaklaşık 6 km/s. Dünya yörüngesinden (kahkadar) aynı mantık 10 AU veya daha fazla hedef alan yıldız öncü görevleri için {{v 8 km/s ve kütle oranı gökseller 6.

Bu kısıtlamalar görev tasarımı için doğrudan etkiler vardır:

  • [FONT:0)Payload kitle ağır cezalıdır.[DÜT:1] Her bir bilimsel enstrümanın kilogramı, kalkanlama veya mürettebat konaklaması onu hızlandırmaya çok sayıda kilogram gerektirir.
  • [FONT:0) Çok sayıda ağır fırlatmaya ihtiyaç vardır[Dönetici: 1 ) Satürn V veya Uzay Lantı Sistemi (SLS) Dünya'dan tamamen yakıtlı araç kaldıramaz.
  • [FONT:0)Seyahat süreleri çok uzun olur [Dönder: {{v en aza indirilirse, {{v'nin Mars'a klasik Hohmann transferi yaklaşık 260 gün sürer; Jüpiter için 2,5 yıldan fazla talep eder.

Temel problem, kimyasal roketlerin pratik performans tavanına ulaştığıdır. Mühendisler yanma odası basıncı, noz genişleme oranlarını optimize edebilir ve pervane karışımları, ancak sahne başına teorik max 345v 10 km/s.

Kimyasal ile Alternatif Propulsion Systems

roket denklemi, mütevazı {{v gereksinimlerinin, kimyasal tahrik ile üst düzey toplu büyümenin, birçok araştırmacı gelişmiş tahrik teknolojileri geliştirmeyi savunuyor. alternatifler çeşitli kategorilere giriyor, her biri kendi baskı, verimlilik ve pratiklik arasındaki kendi ticaret-offlarına giriyor.

Nükleer Termal Proksiyon (NTP)

Nükleer termal roketler, yüksek sıcaklığa kadar bir yakıt (tipik olarak hidrojen) ısıtacak bir nükleer reaktör kullanıyor, o zaman 1960'larda ve 1970'lerde enerji kaynağı, bu nedenle belirli bir dürtü 800-900 saniye çevirip v) ⁇ 8-9 km/s. NASA NTP geniş ölçüde 1960'larda ve 1970'lerde hızlanan motorlarla karşılaştırıldığında, yüksek egzoz hızları ciddi şekilde azaltabiliyor.

Elektrikli Taht (Ion ve Hall Thrusters)

Elektrikli tahrik sistemleri, Dünya yörüngesini hızlandırmak için elektrik alanlarını veya plazmayı son derece yüksek egzoz ve konumlara (10-50 km/s) Özel dürtü 3000 saniyeyi aşabilir.Para çekme işlemleri Mars veya dış gezegenlere çok düşük itme, yani uzun, düşük hızlar, çünkü yüksek aşamalara ulaşmak için kullanılan kimyasal roketlerle başlatılan büyük para yükleri teslim edebilir.

Güneş Yelkenleri

Güneş battıları Güneş'ten gelen fotonların ivmesini kullanarak, itham edilen bir şey değil; Güneş Sistemi misyonları ve Solar Sisteminden kaçmak için sürekli olarak etkili olan Güneş ışığıdır.

Fusion ve Advanced Concepts

Fusion propulsion uzun vadeli bir hedef olarak kalır. kompakt bir füzyon reaktörü Gelişmiş Kavramlar Ekibinde yüksek güç verimliliğine sahip olabilir, ancak bir çalışma motoru muhtemelen on yıllar uzakta olabilir.Bu, dış gezegenlere görevler yapmak.TheurFLT:0 Europe) Uzay Ajansı) Gelişmiş Konsept Ekibinde füzyon sürücüleri üzerinde çalışılmıştır, ancak bir çalışma motoru muhtemelen on yıllar uzaktadır.

Rocket Equation Informs Mission Architecture

Kimyasal roketlerin kısıtlamaları göz önüne alındığında, görev planlayıcıları, roket güçlendiricileri optimize etmek için roket denklemlerini kullanırlar ve yörünge tasarımı. Staging, kuru kütleyi pervanant olarak tüketilmesine izin verir, genel kütle oranını geliştirir; Satürn V üç ay boyunca; Uzaylı Araçlı havalimanları, gelecekteki görevlerin bir araya getirilmesi için birden çok fırlatmak, tek bir mamut roket inşa etmeden önce bir uzay aracı etkili bir şekilde artırabilir.

Roket denklemi ayrıca ağırlık yardımıyla kimyasal tahrik performansı da yönetiyor.[0] Uzaylı yardımcılar [Döneticileri dış gezegenlere ulaşmak için birden fazla yardımcı kullandı.

Mürettebatlı görevler için, denklem geçiş zamanında zor sınırları yükler. Hızlı bir geçiş (Marma'ya 150 gün) {{v'yi 6 km/s bir şekilde kullanmak, v)[Dönder: 4,4 km/s, bir tur için benzer bir oran, bir şekilde Dünya'nın geri dönüştüğü anlamına gelir.(4) Diğer bir deyişle, bu da aracın% 74'ünü oluşturur.

Vaka Çalışmaları: Kimyasal Taht Hala Nerede Çalışıyor

Bu kısıtlamalara rağmen, kimyasal roketler birçok görev için en iyi seçim olarak kalır. Dünya yüzeyi terk eden herhangi bir görev, Dünya'nın yüzeyinin yerçekimi ve atmosferi yenmesi için yüksek güven propulsionunu kullanmalıdır. Elektrik tahriki, kendi kütlelerini bile zeminden kaldıramaz. Düşük Dünya yörüngesinden, gezegensel problar ve hatta Ay misyonlarına kadar, kimyasal tahrik kanıtlıyor.

Ay misyonları için, LEO'dan 345v'den s. ay yüzeyi yaklaşık 6 km/s yuvarlak yolculuk (otur ve ascent dahil) v)[Dış 4,4,4 km/s) ile elde edilen Apollo görevleri, bu turun üçüncü aşaması ve Ay Modülleri ile elde edilen kütle oranı.

Mars için, denklem atmosferik bir giriş nedeniyle cezalandırılır ve ağır kalkanlama, habitatlar ve Dünya Dönüşü Kitlesi. Birçok analist, nükleer ısıtımı veya elektrik kargo tugs'in insan Mars misyonlarını pratik yapmak için gerekli olduğunu iddia eder. roket denklemi açıkça gösteriyor ki, düşük Dünya yörüngesinde 1000 metrik tonluk bir dürtü (Dönemli) veya akıp gidiyor.

Path Forward: Hybrid Architectures

En büyük olasılıkla yakın çözüm kimyasal ve kimyasal olmayan tahrik kombinasyonudur. İki aşamalı bir yaklaşım, Dünya'nın başlatılması ve çıkışı için kimyasal roketleri içerebilir, elektrikli veya nükleer ısı römorkları ile birlikte, düşük güvenlik elektrik tahriki için, düşük ücretli elektrik şarj cihazı uzun süre boyunca ekipman sağlayabilir, ancak mürettebatlı araçlar transit zaman ve radyasyon maruz kalmalarını azaltabilecektir.

SpaceX'in Starship mimarisi, tam olarak kimyasal olsa da, düşük maliyetli paslanmaz çelik kullanarak sınırları zorlar, yörüngede yeniden yakıtlar ve Raptor motorlarından büyük bir itikat elde edebilir. Mars için gerekli olan kitle oranları kanıtlanabilir, ancak bu da malzemelerde artışların ve üretimde artışların hala elde edebileceğini gösteriyor.

[FONT=0]rocket denklemi[[Dönetici:0] bir yolblock değil – bir tasarım aracı.Para yükü, hız ve motor performansı arasındaki ticaretle, önümüzdeki yıllardan gelen potansiyel görevler için –insanları Mars’a geri döndürün – Europa veya Titan’ı keşfet – bize tek başına kimyasal roketlerin yeterli olmadığını hatırlatıyor.

Sonuç: Sınırları Sınırları Sınırları Sınırları Sınırları Genişlemek

Tsiolkovsky roket denklemi genellikle bir karartıcı kısıtlama olarak tasvir edilir, ancak aslında bir haritadır. Kimyasal tahrik kısa sürede düşer ve yeni teknolojilerin derin uzay keşiflerini terk etmesi için bir neden değildir - bunlar, yüksek özel olarak özel olarak araştırılabilir.

Düşük Dünya yörüngesinin ötesine geçerken, roket denklemi sürekli arkadaşımız olarak kalacaktır. Tsiolkovsky bunu her zaman en fazla ne kadar ileri gidebileceğimizi belirleyecektir.