Что ограничивает скорость космических зондов в настоящее время?

...кроме бюджета, очевидно.

Наши компьютеры в настоящее время достаточно хороши, чтобы мы могли отправить зонд в соседнюю звездную систему и обратно и получить довольно хорошие аналитические отчеты. У нас есть батареи, которые проживут сто лет, прежде чем саморазряд сделает их бесполезными, и носители для хранения собранных данных еще долгое время после этого. Нынешним препятствием, похоже, является скорость зондов — потребуется гораздо больше времени, чтобы достичь этого расстояния, чем любое наше оборудование может выжить в рабочем состоянии. Нам нужен более мощный двигатель, чтобы получить результаты в разумные сроки.

Позвольте мне сначала задать очень короткий и неконструктивный вопрос: почему у нас нет лучших двигателей?

Теперь о чем-то менее субъективном: с какими препятствиями в настоящее время борются ученые, из-за которых двигатель наших зондов слишком слаб, чтобы думать о практических миссиях за пределами Солнечной системы? Есть ли разумные прогнозы или проекты двигательных установок, которые бы значительно улучшили то, что мы имеем? Или это просто бюджет? Дать ему достаточно большой топливный бак, и он будет летать так быстро, как мы хотим? Или есть другие соображения, такие как безопасность в случае ядерной энергетики?

Помимо проблемы движителя, имейте в виду, что чем дальше вы выходите, тем больше потеря пути для канала связи. Для обратного канала (т.е. зонда на Землю) это означает, что либо зонд должен передавать с большей мощностью, либо приемник на Земле должен быть больше и лучше. Проще говоря, узким местом станет количество энергии, необходимое для передачи одного бита информации (я думаю, оно вырастет примерно на r^2).
@robguinness: Есть два решения этой проблемы: 1. Зонд возвращается, 2. Мы размещаем «реле» на пути. Это могут быть либо сегменты, оставшиеся после зонда, либо мы можем циклически запускать один раз в несколько лет, чтобы не отставать от зонда, чтобы вся цепочка двигалась к месту назначения, «разматываясь» с Земли.
Это верно. Но, конечно, оба варианта имеют свою стоимость, поэтому необходимо будет провести подробный анализ обмена между добавлением простого увеличения мощности передачи и добавлением либо возможности возврата, либо инфраструктуры ретрансляции. Моя точка зрения в основном заключалась в том, что двигательная установка — не единственное узкое место для миссий в дальний космос. «Вояджер-1» уходит все дальше и дальше к краям Солнечной системы, но в конечном итоге у него не будет достаточно энергии, чтобы передавать значимую информацию обратно на Землю.
Я предлагаю изменить заголовок на «Каковы пределы ускорения космических зондов в настоящее время», потому что ограничение скорости технически является законами физики , а проблема ОП на самом деле заключается в ускорении до скорости.
@RhysW: я бы не совсем согласился. У нас есть чрезвычайно мощные системы ускорения, но они работают в течение нескольких минут, поэтому прирост скорости не так уж и велик. Нам нужно заставить зонды двигаться быстро , придать им большую скорость. Очевидно, что [сила ускорения * время ускорения] ограничивает эту скорость.
Буквально отвечая на вопрос заголовка: насколько близко вы можете подобраться к Солнцу. MESSENGER подобрался довольно близко, вращаясь вокруг Меркурия, и поэтому достигает примерно 62 км/с относительно Солнца, включая скорость его орбиты вокруг Меркурия, если и когда она движется в том же направлении. Я думаю, что это так же быстро, как все, что мы сделали. (Зонд «Галилео» даже не смог так быстро войти в атмосферу Юпитера.)
Снова со сценарием «воск для пола И покрытие пустыни». Ускорение ограничено по времени . Должно быть лучшее слово для "произведения ускорения и времени!" Если бы мы только могли подумать об одном...
@ухо: м с 2 ⋅ с знак равно м с и поэтому все и их тетки называют это дельта-V. Просто название не отражает концепции с компонентами. Это похоже на Работу против Энергии, одно — это сила, умноженная на расстояние, другое — это… разные вещи, но это абсолютно одно и то же количество.
@СФ. Ой, я забыл добавить международный знак легкомыслия - " :) " Но теперь, когда вы упомянули об этом, я все-таки немного сбит с толку. Хорошо, я поработаю над этим. Спасибо!
@uhoh: Моя точка зрения остается в силе. Дельта-V для [время * ускорение] это как Энергия для Работы.
Цепочка реле? Вы имеете в виду умножение вероятности отказа на N * реле? Звучит не очень хорошо для меня. К тому же, кто знает, какое сокращение бюджета разжигают политики...
@СФ. Я не знаю, как согласиться больше! Да да!

Ответы (6)

Это отчасти те же проблемы, что и проблема запуска. Если вы положите больше топлива в топливные баки ракет, вы увеличите массу. Затем, чтобы поднять это топливо, вам нужно добавить еще немного топлива, чтобы поднять это топливо, и так далее и тому подобное.

Похожая проблема существует с текущей двигательной установкой на зондах, но прежде чем я расскажу об этом, я собираюсь (очень кратко) объяснить путешествие в космосе, чтобы мы могли понять проблему.

Путешествие в космосе (при условии путешествия по прямой)

Путешествие в космос — это не то же самое, что путешествие по земле. Путешествие по суше требует постоянного сжигания топлива, чтобы компенсировать скорость, потерянную из-за трения, сопротивления воздуха и т. д.

Путешествие в космосе работает по-другому, оно не требует постоянного горения, оно требует, чтобы вы сожгли достаточно топлива, чтобы разогнать массу до этой начальной скорости, а затем достаточно, чтобы сгореть в обратном направлении, чтобы замедлить себя в пункте назначения.

(Это не половина на половину, для ускорения требуется больше сожженного топлива, чем для замедления, поскольку замедляющая часть имеет меньшую массу, потому что мы можем не учитывать потери топлива, сожженного для ускорения в первую очередь.)

Назад к проблеме

Итак, мы могли бы просто добавить больше топлива в зонды, но тогда мы столкнемся с той же проблемой, что и проблема запуска, добавление дополнительного топлива добавляет дополнительную массу, которая требует дополнительного собственного топлива для сжигания, чтобы привести увеличенную массу к тому же самому. скорости, которые мы хотели.

Так что на самом деле нам нужен метод движения, отличный от существующего жидкостного и твердого процесса.

Как вы можете видеть здесь , у НАСА уже есть несколько альтернативных идей, которые они хотят опробовать для двигателей, я кратко расскажу о них ниже на случай, если ссылка прекратится.

Ядерная тепловая тяга

Ядерная тепловая двигательная установка - нагревает жидкость, обычно водород, в высокотемпературном ядерном реакторе, который создает тягу для перемещения ракеты в космосе.

НАСА ожидает, что двигательная установка этого типа будет намного легче и будет более эффективным методом движения кораблей в космосе.

Тем не менее, каждая серебряная подкладка имеет облако, и это не исключение. Что в настоящее время мешает нам использовать эту систему, так это крайняя сложность сохранения водорода в жидкой форме.

Как вы можете видеть здесь , водород должен поддерживаться при температуре 20 Кельвинов, чтобы оставаться в жидкой форме. Это влечет за собой множество технических проблем, сначала снизить температуру до такого уровня, а затем снова попытаться остановить нагрев жидкого топлива от высоких температур выхлопа!

И не заблуждайтесь, технические проблемы с использованием жидкого водорода возникают не из-за отсутствия попыток. на самом деле идея использовать жидкий водород в качестве топлива существует по крайней мере с 1950-х годов!

Плазменный двигатель

НАСА также исследует двигательную установку на основе плазмы под названием проект VASIMR.

Идея состоит в том, чтобы использовать ядерный реактор (снова) и водород (снова), чтобы ионизировать водород и взорвать его через магнитное сопло.

Очевидно, что это очень технически сложно, но есть также проблема, связанная с тем, что плазма должна быть защищена магнитным полем от оборудования корабля, иначе это вызовет эрозию электродов в самих двигателях.

(Извините за незнание физики того, как этот бит работает на самом деле.)

Не говоря уже о том, что вам также потребуется энергия для питания ядерных реакторов в каждой конструкции.

Вывод

Так что на самом деле мы используем двигательные установки на химической основе, потому что альтернативы технологически дороги и сложны. Мы будем изо всех сил пытаться заставить химические силовые установки двигаться больше из-за умножающейся проблемы с топливом (если мы не найдем более эффективное топливо). Но на самом деле самая большая проблема не столько в тяге, сколько в расстоянии!

Например, космическая станция в настоящее время вращается вокруг нас со скоростью около 18 000 миль в час , совершая один оборот вокруг Земли каждые 90 минут.

Космический корабль «Аполлон», летевший на Луну, двигался быстрее, со скоростью около 24 000 миль в час . Эти типы скорости немыслимы для путешествий по земле, они в сотни раз быстрее, чем может двигаться любой реактивный самолет.

Так что на самом деле мой аргумент основывается на следующих моментах: проблема с топливом, отсутствие простых альтернатив, стоимость топлива, огромное расстояние.

Ни слова о силовых установках на солнечных батареях? Конечно, они начинают становиться менее эффективными по мере удаления зонда от Солнца, но, в свою очередь, становятся более эффективными по мере приближения к другим звездам...
@robguinness хорошее замечание, я не подумал об этом, я найду дополнительную информацию и отредактирую ее в
@robguinness, вы могли бы утверждать, что технически мы уже делаем это, Юнона собирается на Юпитер только с помощью солнечной энергии, я слышал
Да, плазменные двигатели на солнечных батареях используются уже много лет, особенно в спутниках связи на ВЭО. Другой формой является технология солнечного паруса, которая использует импульс фотонов непосредственно для приведения в движение космического корабля. Это гораздо более экспериментально, но некоторые демонстрационные миссии были выполнены для проверки концепции.
Проблема температуры кипения водорода сложна, но не нерешена. Водород уже давно используется в качестве топлива, обычно сжигая жидкий кислород. Космические шаттлы тоже использовали его.
@Linuxios, решение заключалось в том, чтобы израсходовать водород до того, как станет проблемой тепло. Сохранить жидкий водород в течение часа намного проще, чем годами.
Может ли водород храниться в углеводороде, скажем, в метане, и подвергаться химическому разложению для подачи в двигатель? Что касается углерода, нельзя ли таким же образом использовать его в качестве топлива?

Прямо сейчас основным ограничением является то, что мы застряли на реактивных двигателях, а это означает, что вам нужно расходовать массу топлива, чтобы разогнать космический корабль. Таким образом, ваше общее ΔV (изменение скорости) ограничено количеством топлива, которое вы можете нести, и эффективностью ваших двигателей, как указано в уравнении ракеты Циолковского.

Δ В знак равно 9,8 * я С п * л н ( М р )

где MR - массовое отношение

М р знак равно М с п а с е с р а ф т + М п р о п е л л а н т М с п а с е с р а ф т

Беспилотный космический корабль «Рассвет» использует ионный двигатель с удельным импульсом (I sp ) 3100 секунд, который в настоящее время является самым эффективным из используемых двигателей, о которых я знаю. Если космический корабль несет собственную массу в топливе ( М с п а с е с р а ф т знак равно М п р о п е л л а н т , для MR 2) это означает, что мы можем получить общее ΔV ~ 21057 м/с. Быстрые, но не межзвездные путешествия. Если космический корабль несет топливо в 9 раз больше своей массы (MR = 10), мы можем получить до ~ 69953 м/с. Лучше, но все же недостаточно для межзвездных полетов. Чтобы космический корабль типа Dawn достиг скорости 0,01 c (~ 3 000 000 м/с), нам потребуется отношение масс порядка 5,0 * 10 41 . 1

Существует практический верхний предел того, какую массу мы можем запустить с поверхности Земли, что ограничивает количество топлива, которое мы можем отправить с помощью космического корабля.

Есть два пути решения проблемы — один — разгонять космический корабль с помощью ЭМ-излучения против паруса. Существует проект Breakthrough Starshot , в котором планируется использовать наземный блок тераваттных лазеров для ускорения космического корабля массой граммов до 0,2 с (59958491 м/с) примерно за 10 минут. Также было множество идей использования паруса с солнечным ветром от Солнца.

Другой — создать настоящий безреактивный привод (такой как привод Алькубьерре или EmDrive ), у которого есть ряд проблем (не в последнюю очередь это то, как вы обходите сохранение импульса и тому подобное).

  1. Тот факт, что ΔV растет пропорционально логарифму отношения масс, делает уравнение ракеты таким тираническим. Каждый килограмм топлива, который вы добавляете, должен ускоряться вместе с космическим кораблем, что приводит к уменьшению отдачи. Вот почему мы не использовали ракеты для замедления космического корабля «Аполлон» или орбитальных аппаратов «Шаттл» перед входом в атмосферу; это просто превратилось в слишком большую массу для запуска.

Проще говоря: расход топлива и эффективность движения.

Существует максимально возможное изменение вектора в зависимости от загрузки топлива на борту и эффективности привода при преобразовании этого топлива в изменение вектора.

Для ускорения (что является синонимом изменения вектора) за заданное время требуется определенное количество топлива. Все это топливо должно быть на борту, а эффективной дозаправки в полете нет.

Таким образом, сочетание расхода топлива и эффективности привода создает максимальный суммарный вектор.

А общий вектор — это синоним скорости.

Он ограничен тем, насколько мощными и плотными мы можем сделать лазеры. Концепция лазерного паруса обходит проблемы топлива и уравнения ракеты и, таким образом, обещает максимально достижимые скорости. Конечно, это было бы непросто .

Не совсем — ни мощность, ни плотность на самом деле не имеют значения, потому что ничто не говорит о том, что у вас может быть только один пусковой лазер. Вы можете нагромождать столько, сколько вам нужно, пределом является когерентность луча.

Дельта-V, которую может достичь космический аппарат, зависит от уравнения ракеты . Это сводится к доле общей массы, доступной для выбрасывания в качестве топлива, и скорости этой выброшенной массы. Скорость выбрасываемой массы зависит от количества накопленной энергии, которая может быть преобразована в кинетическую энергию.

Химические ракеты имеют столько химической энергии, запасенной в реагентах (которые также являются массой топлива), что определяет предельную скорость выбрасываемого топлива, что накладывает верхний предел на достижимое значение дельта-V транспортного средства.

Переключение на другой тип двигателя, в котором масса топлива выбрасывается с гораздо большей скоростью, теоретически может позволить транспортному средству достичь гораздо более высоких скоростей. Конечно, это предполагает наличие источника энергии, который может хранить гораздо больше полезной энергии на единицу массы топлива, например ядерного, и поднимает вопрос о том, как ускорить топливо.

VASIMIR является одним из примеров технологии тяги, которая выбрасывает выхлопные газы с гораздо большей скоростью, чем это возможно при использовании химического топлива. Возможно, это не технология для приведения в движение межзвездного зонда (похоже, несколько факторов ограничивают дельта-V, которую можно было бы применить к космическому кораблю), но какая-то другая технология, нацеленная на то же самое (с очень высокой скоростью выхлопа), вполне могла бы.

В какой-то степени все упирается в деньги — для финансирования исследований и разработки новых технологий двигателей. Но это также сводится к базовой физике.

Вообще говоря, реактивный двигатель работает, выбрасывая энергию назад, чтобы получить движение вперед. Теперь, согласно школьной физике, энергия, которую мы получаем при броске куска массы (в нашем случае ракетного топлива), равна

К е знак равно М В 2 2

Итак, чем быстрее мы выбрасываем массу, тем больше энергии на единицу массы получаем. В ракетостроении это называется скоростью истечения ( В е ), с производной величиной, называемой Удельный импульс ( я с п ). Более высокие скорости означают лучшую эффективность, вплоть до абсолютной максимальной скорости с , в этот момент школьная математика ломается, и уравнение начинает больше походить на

К е знак равно М С 2 с д р т ( 1 − ( В / С ) 2 ) − М С 2
Обратите внимание, что я сказал Энергия вместо Массы. Фотоны движутся с абсолютной максимальной скоростью, которую допускает Вселенная, и поэтому являются идеальным топливом для ракеты. С технической точки зрения, простой фонарик — это абсолютная вершина ракетных технологий… За исключением одной крошечной проблемы.

В то время как фотоны обладают максимально возможной кинетической энергией на единицу массы ( не знаю, как фотоны обладают кинетической энергией, не имея массы, но они имеют это. Назовем это просто массой для простоты ), их масса неизмеримо мала. Ваш фонарик может быть абсолютным пиком эффективности, но на самом деле его тяга — ничто. Вам потребуются годы, чтобы заметить, что ваш фонарик вообще сдвинулся, что подводит нас к другой проблеме.

Хотя для того, чтобы ваша ракета-фонарик начала движение, потребуются годы, батареи разрядятся всего за несколько часов. Чтобы дать нашей фотонной ракете срок службы и мощность, чтобы делать что-либо вообще, нам пришлось бы использовать небольшую ядерную силовую установку в качестве топлива. Со всей этой дополнительной массой наше и без того крошечное ускорение подавляется сотнями тонн реактора.

Такие технологии, как Ion-drives и VASMIR, сталкиваются с аналогичными ограничениями. Для того, чтобы передать достаточное количество энергии в их реактивную массу, чтобы быть эффективными , они должны сократить поток топлива до крошечной струйки, что может быть, что означает, что они имеют очень, очень низкую тягу . Вдобавок к этому им также требуется большое количество электрического тока, а это означает, что они сталкиваются с той же проблемой, что и наша ракета-фонарик с ядерным двигателем.

Принимая все это во внимание, святым Граалем ракетной техники должен быть двигатель с большой тягой и высоким КПД. В настоящее время есть только несколько теоретических претендентов на титул, такие как Zurbin NSWR или Project Orion . У большинства, если не у всех, есть довольно серьезные недостатки, и, поскольку один из них связан с использованием ядерного оружия для приведения в движение , маловероятно, что в ближайшее время он получит финансирование.

Что ограничивает скорость космических зондов в настоящее время?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v