Во что обойдется доведение полезной нагрузки весом 1 грамм до опорной рамы CMBR (т.е. Δv 368 км/с?)

Предположим, мы хотим провести очень небольшой эксперимент в (или очень близком) к системе покоя Космического микроволнового фонового излучения, относительно которой мы движемся со скоростью 368 ± 2 км/с. Не принимая во внимание сложность измерения и передачи результатов домой, как бы мы вообще получили 1-граммовую полезную нагрузку для такой высокой дельта - v ? Сколько это будет стоить?

Есть ли способ наивно экстраполировать затраты на основе требуемой дельты v ?

368 км/с — это далеко за пределами наших нынешних возможностей, даже при использовании ионных двигателей или других высокоэффективных двигателей, находящихся в разработке. Таким образом, присвоение ему денежной стоимости будет довольно бессмысленным, но, возможно, все же забавным упражнением!
В настоящее время это невозможно сделать с помощью ракетных двигателей. Вы можете тренироваться, используя уравнение ракеты en.wikipedia.org/wiki/Tsiolkovsky_rocket_equation . Обратите внимание, что основная проблема заключается в том, что мы не можем достичь достаточно высокой скорости истечения даже с ионными двигателями. Я думаю, возможно, какая-то петля магнитной левитации в вакууме теоретически может...
@ Джек, я думаю, ты преувеличиваешь ситуацию безнадежности / бессмысленности. Хотя это еще не то, что вы можете заказать по каталогу, должно быть достаточно работы по практической реализации солнечных парусов, чтобы сделать предположение. См. Как будут использоваться ретрорефлекторы космического корабля LightSail 2 Планетарного общества? На основе этого ответа также можно оценить, насколько тонким должен быть парус для достижения этой скорости (около 0,1% с) .
@Jack Эта скорость намного ниже, чем скорости, рассматриваемые в проекте Breakthrough Starshot , поэтому, если использовать лазер вместо солнечного света, для этого не потребуется ничего такого же большого, как 100-гигаваттный лазерный массив Breakthrough Starshot - что сейчас думают, как это может сработать?
@uhoh Согласен, но эти технологии все еще находятся в разработке, поэтому я считаю, что экстраполяция за пределы очень небольшого набора данных протестированных прототипов и указание денежной стоимости было бы спекулятивным. Я пишу ответ для обычных двигателей, вы могли бы написать ответ, охватывающий упомянутые вами технологии?
@ Джек, нет, но я не чувствую себя обязанным оставлять комментарий о том, что на вопрос нельзя ответить или ответ будет «довольно бессмысленным». Вместо этого вы могли бы включить это в свой ответ.
Это зависит, среди прочего, от вашей полезной нагрузки. Я думаю, что было бы возможно очень быстро разогнать полезную нагрузку такого масштаба до такой скорости, используя либо ядерный взрыв, либо лазерную абляцию импульсного лазера очень высокой мощности. Необходимая вам энергия KE составляет около 100 МДж, что содержится в < 100 импульсах от National Ignition Facility. Это было бы довольно дешево (особенно если вы хотите сделать несколько запусков), но полезная нагрузка должна быть довольно жесткой. Лазерный световой парус или, возможно, койлган могли бы обеспечить более мягкое (скажем, <10000g) ускорение.
Движение @SteveLinton связано с импульсом, а не только с энергией. Нужна реактивная масса или хотя бы что-то, что будет нести противоположный импульс. Трудно представить, как они могли реально что-то разогнать до 0.001c.
@uhoh Лазерная абляция довольно эффективна. Вы превращаете поверхностный слой чего-либо в плазму, и электрические поля лазера разгоняют ионы до скоростей, близких к скорости света. Половина из них попадает в полезную нагрузку, а другая половина — в реактивную массу.

Ответы (2)

С современными технологиями это, к сожалению, далеко за пределами нашей досягаемости. Однако на горизонте есть надежда!

Химические двигатели

Уравнение Циолковского всегда будет вашим другом при расчете Δv для обычных двигателей (или вашим врагом, в зависимости от того, как вы на него посмотрите!):

Δ в знак равно я с п × грамм × п ⁡ М а с с ф ты л л М а с с г р у

Преобразование для решения соотношения топлива дает нам:

р а т я о знак равно М а с с ф ты л л М а с с г р у знак равно е Δ в я с п × грамм

Именно эта экспонента вызывает у нас проблемы. Даже если мы используем один из самых эффективных химических двигателей в истории, главный двигатель космического челнока ( я с п ~ 452 с), не принимая во внимание его массу и не принимая во внимание массу всех резервуаров/сантехники/других конструкций, мы получаем нижнюю границу М а с с ф ты л л ≈ 10 33 кг или в 1000 раз больше массы Солнца. Когда мы включаем все необходимые конструкции для хранения всего этого топлива, становится еще хуже!

Мы могли бы значительно сократить это число, используя постановку, но она явно не даст нам ничего возможного, не говоря уже о доступном. Поэтому мы должны стремиться к более высокой эффективности.

Высокоэффективные двигатели

Если мы используем один из двигателей с самым высоким КПД, ионный двигатель Dawn ( я с п ~3100с), а учитывая массу двигателя и баков ( двигатель 8.2кг , баки на базе квадрат-куб из 450кг топлива: баки 19кг), получаем М а с с ф ты л л ≈ 5 × 10 14 кг - по-прежнему совершенно невыполнимо.

Но мы можем сделать лучше.

Разрабатываемый ЕКА двухступенчатый ионный двигатель с решетчатой ​​решеткой (DS4G) был рассчитан как достигающий я с п около 20000 -х годов .

Замена ионного двигателя Рассвета на ионный двигатель той же массы с я с п 20000-х даст нам огромные 82 км/с ! Если мы добавим больше топлива и соответствующим образом увеличим массу бака, мы сможем достичь наших 368 км/с при общей массе корабля ~ 6000 кг - вполне достижимо!

« Рассвет» стоил около 450 миллионов долларов , поэтому я бы предположил очень приблизительную консервативную стоимость строительства и запуска нашего гипотетического корабля в 1 миллиард долларов. Экономия на масштабе экономит нам деньги на большей массе, и затраты на запуск не будут значительно выше. Это, очевидно, игнорирует любые затраты на разработку двухступенчатой ​​технологии, которые было бы очень трудно оценить.

Другие технологии

Мы видим, что что бы мы ни пытались, уравнение ракеты всегда будет нас кусать в какой-то момент, так почему бы нам не попробовать что-то, что не требует топлива?

Прорыв Starshot — это экспериментальная технология, которая предположительно может развивать скорость, намного превышающую наши 368 км/с — порядка 0,1с! Он использует гигаваттные (читай: пиковая потребляемая мощность, сравнимая с большими странами) наземные лазеры для приведения в движение крошечных кораблей с чрезвычайно высоким ускорением.

Этот вид движения был бы идеальным для вашего предложения - корабль достиг бы необходимой скорости за очень короткое время, сводя к минимуму поправки, необходимые для гравитационных воздействий, и исключая необходимость в больших системах передачи.

Такая инфраструктура явно будет невероятно дорогой - вероятно, по величине инфраструктурного бюджета целых стран - 100 миллиардов долларов - 1 триллион долларов .

Однако Breakthrough Starshot рассчитывает на значительное снижение стоимости компонентов и повышение эффективности по мере развития технологий. По некоторым оценкам, стоимость одной миссии в 2036 году составит 5-10 миллиардов долларов , при спекулятивном снижении стоимости. Опять же, это не учитывает стоимость исследований и разработок.

Примечание. Я попытался сделать некоторые предположения и оценки связанных с этим затрат, но все они должны быть восприняты с щепоткой соли. Кроме того, поскольку полезная нагрузка 1 г не указана, я предполагаю, что ее можно изменить в соответствии с требованиями корабля.

Предполагая, что все уже находится на орбите (с использованием стадий и чрезвычайного количества запусков для сборки на орбите), с использованием основного двигателя STS и 10% веса бака (это номинально, верно?), сколько топлива нужно получить для Δv 368 км/сек? И сколько Сатурн-V (или их сегодняшних эквивалентов, мы лучше) потребуется, чтобы вывести все это топливо на орбиту?
@Mazura значительно больше, чем 10 33 кг, что является нижней границей массы топлива при невесомом двигателе и невесомом баке! Если вы дадите им обе массы, потребность в топливе станет еще больше. Если мы просто включим массу двигателя (3500 кг) и проигнорируем бак, необходимое количество топлива уже подскочит до 10 39 кг! Глянь сюда
Всего 368 км/с? Я думал, что это как раз в пределах досягаемости Оле Бум Бум . Они дошли до создания и запуска испытательного автомобиля.
Я подозреваю, что маневр гравитационной рогатки вокруг Солнца может сделать это. Максимальная скорость Parker Solar Probe составит 200 км/с, вероятно, будет несложно настроить ее на 368 км/с и на правильную плоскость орбиты.
Эта простая форма уравнения Циолковского может вызвать проблемы, на которые вы намекаете: «Когда мы включаем все необходимые конструкции для хранения всего этого топлива, становится еще хуже!» Я вижу, вы мудро удалили ссылку на закон квадрата-куба, который не выполняется для резервуаров с заданным внутренним давлением. Мой ответ на вопрос: «Существует ли предел ∆V для одноступенчатой ​​ракеты с массой топливного бака, пропорциональным массе топлива?» относится к этому. (Есть лимит , который нельзя превышать!)

Джек проделал отличную работу, описав, как это сделать с помощью пропульсивных двигателей. У меня другой ответ:

Мы уже (почти) планировали это сделать (непреднамеренно).

Первоначальный план недавно запущенного солнечного зонда Parker заключался в том, чтобы выполнить гравитационную помощь Юпитеру для последующего облета Солнца с относительной скоростью более 300 км/с. Таким образом, для достижения скорости 370 км/с вместо этого потребуется расстояние до Солнца 3,5 вместо 4 солнечных радиусов — вполне выполнимо, если нам не приходится иметь дело с чувствительными приборами, которые необходимо экранировать от интенсивного излучения. и тепло.

Теперь нам просто нужно убедиться, что вектор скорости зонда правильно выровнен с реликтовым излучением, но это возможно: наклонение можно варьировать, нацеливаясь на разные края Солнца, в то время как направление внутри эклиптики просто требует правильного выбора времени. относительно положения Юпитера.

К сожалению, этот маневр обеспечивает требование «покоя относительно реликтового излучения» для «малого эксперимента» только на один момент времени, а не на длительный период. Если вам это нужно, мы вернулись к ответу Джека.

Вот вам и « намного выше наших нынешних возможностей »! (также здесь ) Если неописанный 1-граммовый эксперимент окажется чувствительным к теплу (мы не знаем, что это так, скорость реликтового излучения может просто служить в качестве системы отсчета), то система разумного размера, безусловно, может сохранять свою 1-граммовую массу холодной в течение несколько дней при необходимости.
@uhoh: «намного выше наших текущих возможностей» определенно правильно, если вы хотите, чтобы полезная нагрузка находилась в состоянии покоя с CMB в течение длительного периода времени. Солнечный облет дает его только на мгновение, что не слишком полезно, если вы хотите провести эксперимент.
С другой стороны, 3,5 радиуса Солнца, возможно, не совсем то темное и холодное место, которое лучше всего подходит для измерений реликтового излучения.
@EP прав. Вы пытаетесь очень точно измерить радиационный поток реликтового излучения при 2,725 К. Вещи при 2,725 К излучают не так много (мощность идет при Т ^ 4), поэтому сигнал чрезвычайно мал. Вот почему приборам, выполняющим эти измерения, требуется много времени: они должны интегрироваться в течение длительного времени, чтобы создать достаточное отношение сигнал/шум. Место, где температура свободного тела объекта с высоким альбедо превышает 2000 К, не подходит для этих измерений, и у вас не так много времени — математически нулевая продолжительность окна! — для интегрирования.
@TomSpilker Никто не говорил, что вы на самом деле хотите измерять CMB там - может быть, это просто философский эксперимент, чтобы чувствовать себя в покое со вселенной ;-)
@asdfex Точка принята. Но держу пари, у вас будет гораздо больше проблем с финансированием «философского эксперимента», чем с измерениями реликтового излучения! ;-)
Во что обойдется доведение полезной нагрузки весом 1 грамм до опорной рамы CMBR (т.е. Δv 368 км/с?)
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v