Чем различаются потребности в топливе для разных типов орбит?

Теоретически орбита вокруг одной массы всегда имеет одинаковое количество полной энергии (Кинетическая + Потенциальная). Следовательно, если спутник был запущен с Земли, ему всегда должно требоваться одинаковое количество энергии (и, следовательно, топлива) для выхода на орбиту, независимо от того, на какой высоте находится эта орбита. Конечно, это предполагает, что все остальные параметры (эффективность, полная энергия при запуске, масса ракеты и т. д.) равны.

Таким образом, мой вопрос: есть ли существенные различия между количеством топлива, необходимого для достижения разных типов околоземных орбит? И почему это?

Я бы предположил, что большая часть топлива, сжигаемого ракетами, находится за пределами какой-либо значимой атмосферы, и поэтому эффективность относительно постоянна.

Теоретически орбита вокруг одной массы всегда имеет одинаковую общую энергию (кинетическую + потенциальную) : это неправда. Тело массы м по круговой орбите радиусом р вокруг тела массы М имеет потенциальную энергию, равную − г М м р и кинетическая энергия равна 1 2 г М м р . Итак, полная энергия − 1 2 г М м р , что зависит от радиуса. Спутники на более высоких орбитах имеют более высокую общую энергию, чем спутники на более низких орбитах.
Да, вы правы, кажется, я совсем забыл о школьной физике. Теперь я чувствую себя глупо ;-)
Я думаю, что общий вопрос все еще может быть интересным, хотя

Ответы (1)

Во-первых, ваше предположение неверно по той простой причине, что нам нужно почти 8 км/с, чтобы доставить любую полезную нагрузку — и все топливо для дальнейшего ускорения — на НОО. А это означает сжигание огромного количества топлива на этапе запуска; на каждый килограмм топлива на орбите нужно несколько килограммов топлива, сожженного в атмосфере. Это известно как Тирания Ракетного Уравнения, и это неизбежная, фиксированная начальная стоимость, чтобы доставить что-либо в космос и быстро доставить его туда, потому что вдобавок ко всему ускорению вы даете своей полезной нагрузке довести ее до орбитальной скорости, каждую секунду вы теряете 9,8 м/с этой скорости из-за «гравитационного сопротивления», борясь с притяжением Земли, чтобы не упасть.

Но попав на орбиту, все самое интересное начинается с орбитальной механики. И там много сбережений и предостережений.

Ваша основная экономия — Эффект Оберта. На этом сайте было много вопросов о его понимании, и я призываю вас их найти. Суть в том, что если ваше топливо имеет высокую кинетическую энергию (то есть - быстро движется; быстро летит корабль) - то, сжигая его, вы запрягаете эту энергию в большее ускорение.

Орбитальная механика работает таким образом, что тело на эллиптической орбите движется быстрее, когда оно находится близко к телу, вокруг которого вращается, - так что можно получить больше, сгорая на НОО, чем дальше.

Коррекция направления OTOH проще на малых скоростях - вблизи апоцентра орбиты.

А еще есть гравитационные рогатки; использование других тел (планет, лун) для кражи части их кинетической энергии совершенно бесплатно.

Я могу предложить вам сыграть в Kerbal Space Program, если вы хотите исследовать все эти тонкости интуитивно, не с помощью сухих уравнений, а скорее как гравитационный тематический парк :)

Но чтобы дать «tl; dr» ответ: орбита вокруг одной массы всегда имеет одинаковое количество полной энергии (Кинетическая + Потенциальная). Это верно, но только кинетическая энергия может быть с пользой преобразована в скорость двигателями космического корабля. Поэтому ожоги, выполняемые там, где кинетический компонент самый высокий, наиболее эффективны.

Если я правильно понял первую часть, вы говорите, что для того, чтобы вывести объект на высокую орбиту, нужно сначала вывести его на низкую орбиту?
@fishlein: Не совсем так - вы можете запустить прямо на высокую орбиту, хотя и выполнить прожиг, чтобы вывести апоапсис достаточно высоко, оставаясь при этом на низкой высоте орбиты (но не на скорости), и потребление энергии будет примерно таким же. Одна из проблем заключается в том, что пока вы не окажетесь в безопасности на любой орбите, у вас будет столько времени для выполнения ускорения, сколько потребуется, чтобы упасть обратно на Землю. Это не проблема с ракетными двигателями большой тяги, но они не очень эффективны; расточительный. Если вы хотите использовать ионные двигатели или что-то в этом роде, вам нужно много времени, а это значит, что не упасть = остаться на орбите.
Позвольте мне внести поправку: если вы запускаете прямо на более высокую орбиту, это немного эффективнее: ваша линейная скорость имеет значение, и если до достижения высоты НОО вы достигаете скорости, превышающей орбитальную скорость НОО (даже если получающаяся эллиптическая траектория орбиты пересекает поверхность Земли), вы' лучше. Но возьмем три круговые орбиты, A, B, C с радиусами р А < р Б < р С вам лучше перевести напрямую А → С чем делать А → Б → С потому что орбитальная скорость A самая высокая.
Если вы уже находитесь на высокой орбите и хотите покинуть земную Сферу Влияния для другого пункта назначения, это может спасти дельту V, чтобы нажать на тормоза и спуститься вниз, а затем выполнить свой основной прожиг близко к Земле. См. hopsblog-hop.blogspot.com/2013/10/what-about-mr-oberth.html .
Чем различаются потребности в топливе для разных типов орбит?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v