Есть ли причина, по которой космический корабль не сможет развернуться без помощи гравитации?

Допустим, вы начинаете катиться с вершины рампы для скейтборда и планируете вернуться в исходную точку. Если вы остановитесь в середине трубы, вам будет гораздо труднее подняться обратно к исходной точке, чем если вы подниметесь по другой стороне рампы и позволите гравитации ускорить вас обратно.

Точно так же, даже если вы планировали выйти на орбиту Марса, большинство орбит выбрано таким образом, что вы тратите лишь небольшое количество энергии на замедление, чтобы выйти на орбиту, и только небольшое количество энергии, чтобы покинуть орбиту и вернуться обратно. Сравните это с остановкой вашего космического корабля в середине космоса и ускорением обратно. В конце концов, вы сохраняете импульс своего космического корабля, вращаясь вокруг планеты.

Все остальные ответы великолепны, но я думаю, что одно объяснение все еще отсутствует: как на практике работает межпланетный орбитальный переход.

Дело в том, что космос довольно большой, и вещи продолжают двигаться. В то же время вас постоянно тянут за собой все другие тела в планетной системе (мы можем игнорировать другие звезды для межпланетных перелетов). Так что путешествовать между планетами не так просто, как направить свой корабль в сторону планеты B и нажать на педаль скорости.

Итак, дело движется. Исторические миссии на Марс длились от 100 до более 300 дней — последнее на самом деле означает, что к тому времени, когда вы прибудете, Марс окажется на противоположной стороне Солнечной системы по сравнению с тем, когда вы начали. Вам нужно стремиться туда, где будет Марс , а не там, где он есть. Теперь это не слишком большая проблема для самого путешествия, но подумайте о том, что произойдет, если вы прерветесь в какой-то момент во время путешествия - Земля тоже сдвинулась. Это не так просто, как направить свой космический корабль в противоположном направлении и снова ускориться — Земля уже не там, где она была, когда вы стартовали.

Почему так долго лететь до Марса? Ну, космос большой. Эти зонды обычно двигались со скоростью около 20 000 км/ч — довольно быстро по земным меркам. Но самое близкое расстояние между Землей и Марсом по-прежнему превышает пятьдесят миллионов километров. Единственный способ добраться туда быстрее — увеличить скорость. Здесь кроется главная проблема — двигатели наших космических кораблей на самом деле крайне неэффективны. Реактивные двигатели намного менее эффективны, чем автомобильные двигатели, но они все еще пустяки для ракетных двигателей.

Есть две основные причины - топливо и топливо. Когда вы едете на своей машине, колеса отталкиваются от Земли — по сути, вы либо «крадете», либо «придаете» импульс Земле, а это означает, что вашей машине нужно только производить достаточно энергии, чтобы обеспечивать вашу кинетическую энергию, отдавать или брать. При 100% КПД в вакууме автомобилю массой 1 тонна потребуется всего около 300 кДж энергии, чтобы разогнаться до 100 км/ч — это около 10 граммов энергии на бензин. Первое, что раздражает, это то, что кинетическая энергия растет квадратично по отношению к скорости, поэтому для разгона до 200 км/ч требуется около 1400 кДж энергии, а не 600 кДж. Таким образом, чтобы разогнаться даже до этих 20 000 км/ч, потребуется около 1400 МДж энергии (1,4E10 Дж) — эквивалент примерно 280 кг бензина, что составляет более четверти массы самого автомобиля.

Четверть массы — это довольно много — космический корабль не может просто останавливаться каждые несколько километров, чтобы пополнить свой топливный бак. Он должен перевозить все свое топливо с самого начала - поэтому наш образец автомобиля на самом деле будет не 1 тонной, а 1 тонной + 280 кг бензина. И этим 280 кг бензина потребовалось бы еще больше бензина, чтобы разогнаться — это известно как тирания уравнения ракеты — чем больше топлива вы приносите, тем больше топлива вам нужно, чтобы доставить топливо и т. д. Вот если бы мы на самом деле имели ракета, способная разогнать 1 тонну до 20 000 км/ч всего с 280 кг топлива, была бы у нас на высоте. Но у нас нет ничего близкого к этому. Почему? Две упомянутые выше причины - топливная и двигательная.

Вы можете сказать, подождите, мы уже посчитали топливо - это 280 кг бензина (плюс бензин для бензина, ...), верно? Неа. Бензин не просто самопроизвольно распадается, высвобождая энергию — он сгорает, что является простым способом сказать, что он химически взаимодействует с кислородом. Ваш автомобиль может легко использовать окружающий кислород, получая свою массу бесплатно, но ракеты, как правило, летают в вакууме — им также нужно брать с собой кислород для поездки. Это лишняя масса, конечно. Сколько массы? Ну, используя очень упрощенный расчет (учитывая идеальное горение чистого октана), вам нужно около 3,5 кг кислорода, чтобы сжечь 1 кг бензина. Я думаю, теперь вы можете видеть проблему - в то время как мы едва можем игнорировать 280 кг по сравнению с нашей 1-тонной машиной,

Но подождите, это еще не конец. Это объясняет топливную часть проблемы, но есть еще топливо. Автомобили не нуждаются в топливе, так как они отталкиваются от земли. Даже реактивным самолетам не нужно нести собственное топливо, поскольку они снова используют окружающий воздух в качестве топлива и топлива. Но опять же, у нашего ракетного двигателя нет такой роскоши. Он должен нести свое топливо во время поездки. Это место, где ракетостроение становится действительно сложным (и мы еще даже не заглянули на орбиты или межпланетный переход!).

Сохранение импульса в основном говорит о том, что для ускорения в одном направлении необходимо ускорить что-то другое с такой же массой в противоположном направлении с тем же ускорением. Вы также можете обменять массу на скорость — чем быстрее вы выбрасываете топливо, тем меньше массы ему нужно, чтобы дать вам такое же ускорение. это скорость выхлопаракеты - скорость пороха относительно ракеты. Чтобы дать вам немного масштаба, типичная ракета на жидком кислороде + жидком водороде имеет скорость истечения около 18 000 км/ч. Это в основном означает, что для разгона 1-тонного космического корабля до 18 000 км/ч вам потребуется 1 тонна топлива (без учета массы самого топлива и топлива и массы двигателя). Если мы перестанем игнорировать массу топлива и топлива, нам нужно обратиться к уравнению ракеты — опять же, вам нужно больше топлива, чтобы разогнать топливо.

Уравнение ракеты имеет следующие неизвестные:

• Величина требуемого изменения скорости (известная как дельта-V ). В нашем случае это 20 000 км/ч или около 5 500 м/с.
• Скорость истечения нашей ракеты. В нашем случае 18 000 км/ч или около 4 900 м/с.
• «Сухая» масса космического корабля, то есть без учета топлива и топлива. В нашем случае мы будем придерживаться значения 1 тонна.
• «Начальная» масса космического корабля, включая топливо и топливо. Это мы и хотим определить.

Подставив известные значения в наше уравнение, мы получим начальную массу около 3,2 тонны, поэтому вам потребуется около 2,2 тонны топлива, чтобы ваш космический корабль массой 1 тонна разогнался до 20 000 км/ч. Это уже довольно плохо — не забывайте, что нам также нужно вывести космический корабль на орбиту в первую очередь, где соотношение полезной нагрузки и топлива еще хуже. Но подождите, будет еще хуже. Чтобы остановить корабль, ты снованужно разогнать столько же. Еще 5 500 м/с приводят к массе топлива 9,3 тонны — и это только заход в цель. Чтобы включить промежуточный обратный путь, вам потребуется 5 500 м/с для начального ускорения, 5 500 м/с для остановки, 5 500 м/с для повторного старта и 5 500 м/с для остановки в конце. Это дает вам чудовищные 22 000 м/с дельта-V, требующие 106 тонн топлива для вашего крошечного 1-тонного космического корабля. И это игнорирует массу, необходимую для фактического хранения всего этого топлива, а также всех топливопроводов и т. д., необходимых для доставки его к двигателю!

Должно быть очевидно, что с нашей нынешней технологией ракетных двигателей то, что вы предлагаете, практически невозможно. Есть два способа обойти это: первый — это постановка (выбрасывание «отработавших» частей вашего космического корабля), второй — максимально низкие требования к дельта-V.

Постановка позволяет строить ракеты с более высоким отношением массы топлива к массе корабля. Для одноступенчатой ​​ракеты соотношение около 15 уже довольно сложно, а все, что выше 20, очень нереально, учитывая наши технологии. В основном это связано с тем, что вам нужны всевозможные опоры и т. д., чтобы убедиться, что ваша ракета не рухнет (или не взорвется — обычная топливная смесь — это жидкий водород и жидкий кислород). Крутая вещь в постановке заключается в том, что вы в основном перемножаете массовые отношения различных стадий - поэтому, чтобы получить соотношение масс 100+, вы можете использовать три стадии, каждая с массовым отношением, например, 5. Недостаток заключается в том, что вы в конечном итоге разбрасываете свои использованные ступени повсюду (их цена в значительной степени выброшена, а ступени космического корабля не совсем дешевы), и вам все еще нужно использовать огромное количество топлива, чтобы доставить немного полезной нагрузки. .

Вот тут-то и появляются трюки с дельта-V. Один из замечательных трюков — использование атмосферы цели для окончательного торможения — он постоянно используется, например, кораблями, возвращающимися на Землю. Вместо того, чтобы обнулять всю свою орбитальную скорость, вам нужно всего лишь сбрить примерно 100 м/с или около того, чтобы опуститься достаточно низко в атмосферу, чтобы получить достаточное сопротивление, чтобы «украсть» оставшуюся орбитальную скорость. Однако сделать то же самое с межпланетными скоростями немного сложнее - у вас есть только ограниченное время, чтобы избавиться от скорости, достаточной для выхода на разумную орбиту. И чем быстрее вам нужно тормозить, тем прочнее должна быть конструкция вашего космического корабля, а более прочная конструкция означает большую массу. Еще одна причина, по которой корабль/зонд должен быть как можно меньше.

Еще один отличный трюк — использовать гравитацию других планет для изменения вашей скорости — это требует тщательного планирования, но позволяет вам как ускоряться, так и замедляться, не расходуя никакого топлива (кроме того, что требуется для корректировки траектории). Это было использовано с большим эффектом в миссиях "Вояджер" 70-х годов - "Вояджер-1" достиг скорости более 17 км/с благодаря многочисленным гравитационным вспомогательным средствам. Но даже в этом случае это всего лишь половина орбитальной скорости Земли, так что вы действительно хотите украсть у Земли как можно больше скорости при запуске. Сложная часть об этом? С одной стороны, это довольно медленно. Путь, который вы выберете, вероятно, будет намного длиннее, чем прямой путь, особенно если вам нужно несколько гравитационных ассистентов с нескольких планет. Миссии "Вояджеров" были возможны главным образом потому, что в 70-х гг. внешние планеты были выровнены таким образом, что «Вояджеры» могли использовать Юпитер и Сатурн (+ Уран для «Вояджера-2») в серии ассистов, увеличивающих их скорость «бесплатно». Хитрость там? Такие совпадения случаются не так часто. Другая расстановка, позволяющая выполнить такую ​​же миссию, происходит примерно раз в 170 годов.лет .

Теперь вопрос положения планеты не является большой проблемой при путешествии с Земли на Марс — во-первых, вам не нужно почти столько дельта-V, как «Вояджерам», а во-вторых, и у Земли, и у Марса гораздо более короткие орбиты. . Но все же, если придерживаться современных ракет (в отличие от так называемых "Факел", которые были бы способны разгоняться на протяжении всего полета, избегая многих проблем, упомянутых здесь, благодаря их огромной скорости истечения), положение имеет большое значение. Это порождает знакомую концепцию окон запуска (которые также очень эффективно используются в драмах: «если мы не пойдем сейчас, наш следующий вариант — через 3 года, к тому времени мы умрем с голоду»).

Если вы хотите получить что-то с наименьшим возможным бюджетом дельта-V, переходные орбиты Хомана — ваш друг. Однако они также самые медленные и больше всего зависят от выравнивания планет. Окна запуска довольно периодические — опять же, у миссий «Вояджер» окна запуска каждые 175 лет или около того, а у миссий на Марс — около 780 дней. Чем больше delta-V вы готовы потратить, тем шире окно запуска и короче ваша поездка.

Например, чтобы добраться с Земли на Марс и обратно, требуется как минимум около 30 км/с дельта-V. Для сравнения, массивная ракета Saturn V способна развивать скорость всего около 18 км/с. Не стоит сильно удивляться тому, что мы делаем межпланетные зонды максимально легкими, и больше их не возвращаем :) Это путешествие заняло бы около 17 месяцев. Это довольно долго — для беспилотного зонда это не имеет большого значения, но любому человеческому экипажу нужно будет принести много припасов, хорошо разбираться в утилизации и не злиться. Добавление в бюджет большего количества delta-V позволяет нам значительно сократить его - 53 км/с позволят вам совершить поездку всего за два месяца. Конечно, получение дельта-V в 53 км/с выходит далеко за рамки наших нынешних возможностей. Игнорируя массу довольно массивных топливных баков, вам потребуется соотношение масс около 80 000. Да уж. Интересно,

Итак, как насчет абсолютно абсурдных , возмутительных дельта-V? Следующий очевидный шаг — это то, что может ускорить всю поездку. Мы уже экспериментируем с ионными двигателями именно для этого, но с тем ускорением, которое мы получаем, это не очень полезно для людей. Но давайте представим, что у нас есть какой-нибудь двигатель термоядерной горелки, который дает нам достаточную дельта-V. Разгоняя дельту-V до 370 км/с (помните, как я сказал абсурдdelta-V?) совершает поездку туда и обратно примерно за месяц. Это соответствует постоянному ускорению около 0,01 g. К этому моменту орбитальная механика уже не является большим ограничением, поэтому добавление большего количества дельта-V, как правило, дает вам ускорение, близкое к линейному: ускорение 0,1g требует около 1100 км/с для 12-дневного полета туда и обратно, а 1g требует " всего 3 500 км/с за 4 дня туда и обратно.

Очевидно, что как только вы доберетесь до корабля-факела, ваша первоначальная проблема исчезнет. Даже для сценария с постоянным ускорением 0,01 g ваша скорость огромна по сравнению с орбитальной скоростью, поэтому стоимость разворота вашего корабля относительно мала (по сравнению с тем, чтобы пройти весь путь и вернуться обратно), а влияние всех этих трюков с маневрированием невелико. также довольно крошечный (так что вы можете сократить мой бюджет на дельта-V на 1 км / с? Большое дело ...).

Но пока вы летите на современной ракете, вам потребуется 9 месяцев, чтобы добраться до Марса... как только вы окажетесь на межпланетной траектории, пути назад уже не будет. Даже если вы израсходуете все оставшееся топливо, вы даже не остановите свой корабль, не говоря уже о том, чтобы развернуть его. Вам просто придется просидеть остаток поездки :)

Я предполагаю, что «на полпути» означает нахождение на полпути по переходной орбите от Земли к Марсу, и что под «разворотом» вы подразумеваете немедленное обратное направление. Нет никаких причин, по которым космический корабль «не может» это сделать, но причина, по которой это совершенно непрактично, заключается в том, что для изменения траектории космического корабля требуется топливо.

Прерывание перехода с Земли на Марс для возвращения на Землю требует, чтобы космический корабль продолжал двигаться по своей текущей межпланетной переходной орбите до тех пор, пока не вернется обратно на Землю, но, что наиболее важно, требуется, чтобы переходная орбита была выбрана с точкой, чтобы космический корабль встретил Землю. . Без соответствующего времени космический корабль вернется туда, где Земля была при запуске, а не там, где Земля будет, когда достигнет той же точки. Этот тип сценария прерывания использует так называемую траекторию свободного возврата , которая использовалась во время «Аполлона-13» (вместе с последующим тяговым маневром для ускорения возвращения и смещения места приводнения).

Вы можете найти обсуждение сценариев прерывания полета с Земли на Марс в этой статье — см. стр. 20. Обсуждаются как траектория свободного возврата, так и траектория возврата с тягой или гравитацией.

Вот сравнение двухлетней траектории свободного возврата слева и траектории принудительного прерывания справа (из приведенной выше статьи). Обратите внимание, что пунктирная зеленая линия справа указывает траекторию без какого-либо тягового маневра (который не достигнет Земли в нужное время).

Нет единственной причины, по которой космический корабль не сможет изменить свою траекторию, чтобы вернуться на Землю, просто для этого требуется соответствующий бюджет дельта-v и время.

В зависимости от того, для чего корабль был изначально разработан, у него может не быть дельта-v для выполнения такого изменения курса.

• Например, дельта-V, оставшаяся на марсианском корабле с односторонним движением, даже в том, который использовал мягкую посадку на Марсе с ракетным двигателем, определенно не имела бы дельта-V, чтобы вернуться на Землю намного раньше, если вообще могла, по сравнению с рогатка.

• Напротив, дельта-V, оставшаяся на марсианском корабле с двусторонним движением без отдельного посадочного модуля (с Земли, полет на Марс, приземление, возвращение на орбиту, возвращение на Землю), вероятно, могла бы справиться с маневром, хотя и не обязательно в наиболее целесообразным способом (погружаясь ближе к солнцу, чем орбита Земли, чтобы «догнать» его).

• В качестве точки баланса, корабль, который был разработан, чтобы отправиться на Марс, оставаться на орбите, в то время как посадочный модуль опускался на поверхность и возвращался, а затем совершать следующий удобный перелет обратно на Землю, — это подбрасывание того, есть ли у него дельта- v требуется «повернуть назад».

Имея все это в виду, наиболее целесообразный возврат по времени будет очень дорогим с точки зрения дельта-v, и у экипажа или припасов может не хватить времени на ожидание более экономичного перехода; особенно если какая-либо дозаправка или пополнение запасов должны были быть сделаны на Марсе.

Это было бы довольно легко попробовать самостоятельно, просто загрузите пробную версию KSP и используйте готовый корабль. Солнечная система не совсем такая же, но вы можете увидеть относительные достоинства каждого маневра с Дюной или скачать мод, чтобы сделать это в приличном приближении к нашему.

Если вы достаточно вежливо спросите на форумах, кто-то может записать вам ответ в виде видео.

РЕДАКТИРОВАТЬ

Короткое примечание о том, что такое дельта-v, если вы не знакомы: дельта-v — это мера изменения скорости, которую может выполнить ваш корабль. Если вы едете на велосипеде и едете со скоростью 4 мили в час, а хотите ехать 10 миль в час, вам нужна дельта-v 6 миль в час. Вы можете обеспечить это своему «кораблю» на поверхности Земли за счет энергии, затраченной на трение поверхности из-за гравитации.

Поскольку в почти вакуумном космосе так мало материи, едва ли есть какое-либо трение, с которым можно было бы оттолкнуться. Единственный (текущий) метод изменения вашей скорости в космосе — это подбрасывание массы в противоположном направлении . Это помогает, если вы быстро «подбрасываете» массу, поэтому мы используем ракетное топливо, которое сгорает и впоследствии «подбрасывается» довольно быстро.

Еще одна вещь, которую следует отметить, это то, что траектории между объектами в космосе, как правило, представляют собой некий вариант переходных орбит, а не просто «направление к чему-то». После того, как орбита установлена, намечается маневр, который меняет эту орбиту на такую, которая будет пересекать другую орбиту во время, очень близкое к тому, когда целевой объект будет там. Тогда «поворот вокруг» становится не просто изменением курса или «поворотом на 180», но снова изменением орбиты для обратной переходной орбиты, которая пересекает исходное тело.

Очень распространенной является Hohmann Transfer Orbit , и вики-статья — хорошее место для начала.

Я попробую менее технический ответ, потому что большинство людей не знакомы с порядками величин, связанных с космическими путешествиями, а научно-фантастические боевики учили нас, что полет в космосе — это то же самое, что корабль, путешествующий по морю.

Чтобы избежать гравитации Земли, вам нужно много скорости. Вам потребуется более 40000 км/ч, это более чем в 40 раз быстрее, чем реактивный авиалайнер, и более чем в 10 раз быстрее, чем когда-либо летал самый быстрый истребитель. Чтобы достичь такой скорости, нужен огромный ракетный двигатель и безумное количество топлива.

В космосе, если вы не используете помощь гравитации, но хотите полагаться на свои собственные двигатели, чтобы повернуть назад, вам нужно затратить (почти) такое же количество энергии, чтобы остановить то, что вы использовали для ускорения в начале, а затем потратить эту энергию снова, чтобы достичь той же скорости в другом направлении. Так почему бы просто не возить в три раза больше топлива? Потому что в отличие от автомобиля, где вы можете просто положить в багажник небольшую бочку дополнительного топлива, большую часть веса космического корабля составляет топливо.

Когда вы посмотрите на изображение космического корабля перед запуском, вы увидите, что большая его часть состоит из топлива:

Видите ту маленькую трапецию вверху? Это настоящий космический корабль, все остальное в основном топливо. Так что мы просто построим нашу ракету в 3 раза больше, на тот случай, если мы захотим повернуть назад, верно? Неправильный! Огромная ракета на картинке использовалась для ускорения крошечного космического корабля наверху! Чтобы поднять все лишнее топливо (которое тяжелее, чем вся оригинальная ракета), вам понадобится еще большая ракета. И чтобы запустить эту еще большую ракету, вам понадобится ракета гораздо большего размера и так далее...

На xkcd есть интересная статья , описывающая, что вам понадобится, чтобы вернуть один из наших малых зондов, который находится на пути к выходу из Солнечной системы: для этого потребуется ракета как минимум в 60 раз больше, чем та, которую мы использовали для его запуска. !

Орбитальная механика странная. На Земле развернуться и отправиться домой обычно является хорошим решением, когда что-то идет не так. В космосе это не так из-за некоторых странных особенностей.

• Остановиться (в космосе) ОЧЕНЬ ОЧЕНЬ сложно.
• Кратчайшее расстояние ИЗОГНУТО.
• Дом постоянно движется (действительно очень быстро)

Остановить трудно

Итак, с первым пунктом остановиться сложно. Это потому, что вы не можете построить тормоза в космосе. Это означает, что для остановки вам понадобится ракета такая же большая, как та, на которой вы отправились в путь.

Однако, если вам нужно отправить действительно большую ракету, то вам нужна еще большая ракета, чтобы это заработало.

Мы называем эту проблему «тиранией ракетного уравнения».

Вот почему мы почти всегда останавливаемся на планетах, где можно использовать тормоза (или парашюты, как вы их называете).

Кратчайшее расстояние изогнуто

В целом земля довольно плоская. Но если вам нужно идти от ab, а на пути есть холм, вы обычно ходите вокруг холма.

Космос такой же. С орбитальной механикой в ​​середине есть МАССИВНЫЙ холм, который мы называем солнцем.

Дом постоянно движется

В масштабе времени путешествия на Марс Земля будет двигаться. Если вы развернетесь и пойдете обратно, его там не будет. Возможно, что сейчас он находится «по ту сторону» Марса, в зависимости от расположения звезд.

Космический корабль не может выбрать менее эффективный путь, чем предполагалось изначально

Как правило, у космического корабля будет достаточно топлива для выполнения намеченной траектории полета и некоторый запас прочности, но не более того. Кроме того, поскольку топливо составляет такую ​​большую часть общего веса, вы будете оптимизировать миссию, чтобы выбрать наиболее эффективный подходящий путь, часто полагаясь на различные факторы, такие как выбор момента прохождения для соответствия определенному положению планет, использование гравитации и тому подобное.

Кроме того, из-за того, как работает орбитальная механика, если вы находитесь на пути к Марсу, то самый дешевый способ (с точки зрения топлива, а не времени) развернуться — это отправиться на орбиту Марса и сжечь там свои двигатели.

Даже простая «остановка» (например, относительно солнца) на месте в глуши уже требует больше топлива, чем вам потребовалось, чтобы разогнаться, поскольку миссия определенно планировалась для использования скорости земной орбиты и скорости вращения Земли в своих интересах. первоначального плана миссии; и реверс также требует больше топлива, чем ожидалось, поскольку земля удаляется от вас по своей орбите.

Это означает, что если у вас достаточно топлива для конкретного путешествия на Марс и обратно, то после того, как вы сожжете почти половину его, чтобы начать первоначальный полет, любые существенные изменения потребуют большего количества топлива, которого у вас просто не будет.