Questão:
O que limita a velocidade das sondas espaciais atualmente?
SF.
2013-07-25 13:03:24 UTC
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... além do orçamento, obviamente.

Nossos computadores hoje em dia são bons o suficiente para que possamos enviar uma sonda para um sistema estelar vizinho e de volta, e obter alguns relatórios de análise muito bons. Temos baterias que sobreviveriam cem anos antes que a autodescarga as tornasse inúteis, e mídia para manter os dados coletados por muito tempo depois disso. O atual obstáculo parece ser a velocidade das sondas - levaria muito mais tempo para chegar tão longe do que qualquer um de nossos equipamentos poderia sobreviver em funcionamento. Precisamos de uma propulsão melhor para receber os resultados em qualquer período de tempo razoável.

Deixe-me fazer a pergunta primeiro de uma forma muito curta e não construtiva: Por que não temos nenhuma propulsão melhor?

Agora, algo menos subjetivo: quais obstáculos os cientistas atualmente lutam contra que mantêm a propulsão de nossas sondas muito fraca para pensar praticamente em missões fora do Sistema Solar? Existem previsões ou projetos razoáveis ​​de sistemas de propulsão que melhorariam consideravelmente o que temos? Ou é apenas um orçamento? Dê a ele um tanque de combustível grande o suficiente e ele voará tão rápido quanto desejamos? Ou existem outras considerações, como segurança no caso de energia nuclear?

Além do problema de propulsão, lembre-se que quanto mais longe você sai, maior é a perda de trajeto do canal de comunicação. Para o canal de retorno (ou seja, sonda para a Terra), isso significa que a sonda deve transmitir com mais potência ou o receptor na Terra deve ser maior e melhor. Em termos simplistas, a quantidade de energia necessária por bit de comunicação se tornará um gargalo (creio que aumenta aproximadamente em r ^ 2).
@robguinness: Existem duas soluções para isso: 1. A sonda volta, 2. Colocamos "relés" no caminho. Eles podem ser segmentos deixados após a sonda ou podemos lançar ciclicamente um a cada poucos anos para acompanhar a sonda, de modo que toda a cadeia viaje em direção ao destino "desenrolando" da Terra.
Isso é verdade. Mas, é claro, ambas as opções têm um custo, então uma análise comercial detalhada teria que ser conduzida entre simplesmente adicionar mais potência de transmissão e adicionar capacidade de retorno ou uma infraestrutura de relé. Meu ponto foi principalmente que a propulsão não é o único gargalo para missões no espaço profundo. A Voyager 1 está indo cada vez mais longe nas bordas do Sistema Solar, mas eventualmente não terá energia suficiente para transmitir informações significativas de volta à Terra.
Proponho que mudemos o título para 'quais são os limites de aceleração de sondas espaciais atualmente' porque a limitação de velocidade é tecnicamente * as leis da física *, a questão do OP é na verdade de aceleração * para * uma velocidade.
@RhysW: Eu não concordaria inteiramente. Temos sistemas de aceleração extremamente poderosos, mas eles funcionam por minutos a cada vez, então o ganho de velocidade não é tão grande. Precisamos fazer as sondas * moverem-se rapidamente *, dar-lhes alta velocidade. Obviamente, o [força da aceleração * tempo de aceleração] limita essa velocidade.
Para responder literalmente à pergunta do título: quão perto você pode chegar do sol. O MESSENGER chegou bem perto ao orbitar Mercúrio, e assim chega a cerca de 62 km / s em relação ao Sol, incluindo a velocidade de sua órbita ao redor de Mercúrio se e quando estiver na mesma direção. Acho que é tão rápido quanto qualquer coisa que fizemos. (A sonda Galileo nem mesmo conseguiu entrar tão rápido na atmosfera de Júpiter.)
Novamente com o cenário "cera para piso e cobertura de deserto". A * aceleração * é limitada em * tempo *. Deveria haver uma palavra melhor para "o produto da aceleração e do tempo!" Se pudéssemos pensar em um ...
@uhoh: $ {m \ over {s ^ 2}} \ cdot s = {m \ over s} $ e então todos e suas tias chamam esse delta-V. Só que o nome não captura o conceito com os componentes. É como Trabalho vs Energia, um é força vezes distância, o outro é ... várias coisas, mas são exatamente a mesma quantidade.
@SF. Opa, esqueci de adicionar o sinal internacional de leviandade - o ":)" Mas agora que você mencionou, estou um pouco confuso, afinal. OK, vou trabalhar nisso. Obrigado!
@uhoh: Meu ponto ainda está de pé. Delta-V para [tempo * aceleração] é como Energia é para Trabalhar.
Uma cadeia de relés? Você quer dizer multiplicar as possibilidades de falha por relés N *? Não parece tão bom para mim. Além disso, quem sabe que corte de orçamento os políticos estão fomentando ...
@SF. Não sei como concordar mais! Sim Sim!
Seis respostas:
#1
+15
RhysW
2013-07-25 13:52:27 UTC
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É parcialmente o mesmo problema do lançamento. Se você colocar mais combustível nos tanques de combustível dos foguetes, aumentará a massa. Então, para levantar esse combustível, você precisa adicionar um pouco mais de combustível para levantar esse combustível, e assim por diante.

Um problema semelhante existe com o sistema de propulsão atual nas sondas, mas antes de eu entrar nisso, vou explicar (muito brevemente) a viagem no espaço para que possamos entender o problema.

Viagem no espaço (supondo que você esteja viajando em linha reta)

Viajar no espaço não é o mesmo que viajar na terra. Viajar em terra requer a queima constante de combustível para poder substituir a velocidade perdida por atrito, resistência do ar, etc.

Viajar no espaço não funciona da mesma maneira, não requer uma constante queimando, requer que você queime combustível suficiente para impulsionar a massa até a velocidade inicial, depois o suficiente para queimar ao contrário para diminuir a velocidade em seu destino.

(O que não é meio a meio, requer mais combustível queimado para acelerar do que para desacelerar, já que a porção de desaceleração tem menos massa porque podemos descontar o combustível perdido queimado para acelerar no primeiro local.)

De volta ao problema

Ok, então poderíamos apenas adicionar mais combustível às sondas, mas então nós ter o mesmo problema do lançamento, adicionar combustível extra adiciona massa extra, o que requer combustível próprio extra para queimar a fim de impulsionar a massa aumentada para as mesmas velocidades que desejamos.

Então, realmente o que que queremos é um método de propulsão diferente do processo líquido e sólido existente.

Como você pode ver aqui, a NASA já tem algumas ideias alternativas que deseja experimentar para a propulsão, Vou cobri-los brevemente abaixo, caso o link morra.

Propulsão térmica nuclear

Propulsão térmica nuclear - aquece um fluido, geralmente hidrogênio, em um núcleo de alta temperatura reator que cria impulso para mover o foguete no espaço

A NASA espera que esse tipo de sistema de propulsão seja muito mais leve e um método mais eficiente de propulsão de naves no espaço.

No entanto, todo forro de prata tem uma nuvem e isso não é exceção. O que atualmente nos impede de usar este sistema é a extrema dificuldade de manter o hidrogênio em sua forma líquida.

Como você pode ver aqui, o hidrogênio precisa ser mantido a 20 Kelvin para permanecer na forma líquida. Isso propõe muitos desafios técnicos, primeiro para reduzir a temperatura a tal nível, depois novamente ao tentar parar o aquecimento do combustível líquido devido às altas temperaturas do escapamento!

E não se engane, os problemas técnicos com o uso de hidrogênio líquido não são por falta de tentativa. na verdade, a ideia de usar hidrogênio líquido como combustível existe desde pelo menos os anos 1950!

Propulsão baseada em plasma

A NASA também está investigando um sistema de propulsão baseado em plasma denominado projeto VASIMR.

A ideia é usar um reator nuclear (de novo) e hidrogênio (de novo) para ionizar o hidrogênio e explodir por meio de um bocal magnético.

Obviamente, isso é muito desafiador tecnicamente, mas também há o problema de que o plasma precisa ser blindado magneticamente do hardware da nave ou isso causa erosão do eletrodo nos próprios motores.

(Desculpe a minha falta de conhecimento da física em torno de como essa parte realmente funciona.)

Sem mencionar que você também precisaria de energia para alimentar os reatores nucleares em cada projeto.

Então, realmente, nós usamos sistemas de propulsão de base química porque as alternativas são tecnologicamente caras e difíceis. Tentaremos fazer com que os sistemas de propulsão química impulsionem mais por causa da multiplicação do problema do combustível (a menos que encontremos combustíveis mais eficientes). Mas realmente o maior problema não é tanto a propulsão, é a distância!

Por exemplo, a estação espacial atualmente orbita a nossa órbita a cerca de 18.000 milhas por hora, orbitando a Terra uma vez a cada 90 minutos.

A espaçonave Apollo que voou para a lua viajou mais rápido do que isso, a cerca de 24.000 milhas por hora. Esses tipos de velocidade são inconcebíveis para viagens na Terra, sendo centenas de vezes mais rápidos do que qualquer jato pode ir.

Então, realmente, meu argumento se baseia nestes pontos, problema de combustível, falta de alternativas fáceis, custo do combustível, distância total.

Nenhuma menção de sistemas de propulsão baseados em energia solar? Claro, eles começam a se tornar menos eficazes conforme a sonda se afasta do Sol, mas eles, por sua vez, ganham mais eficácia conforme se aproximam de outras estrelas ...
@robguinness bom ponto, eu não tinha considerado isso, vou encontrar mais algumas informações e editá-lo em
@robguinness você poderia argumentar que tecnicamente já estamos fazendo isso, Juno vai para Júpiter apenas por meio da energia solar, ouvi
Sim, os propulsores de plasma movidos a energia solar têm sido usados ​​por muitos anos, especialmente em satélites de comunicação HEO. Outra forma é a tecnologia de vela solar, que usa o momento dos fótons diretamente para impulsionar uma nave espacial. Isso é muito mais experimental, mas algumas missões de demonstração foram realizadas como provas de conceito.
O problema do ponto de ebulição do hidrogênio é difícil, mas não sem solução. O hidrogênio tem sido usado como combustível por um longo tempo, geralmente queimando com oxigênio líquido. Os ônibus espaciais também o usaram.
A solução @Linuxios, tem sido usar o hidrogênio antes que o calor se torne um problema. Manter o hidrogênio líquido por uma hora é muito mais fácil do que mantê-lo líquido por anos.
O hidrogênio poderia ser armazenado em um hidrocarboneto, digamos, metano, e decomposto quimicamente para alimentar o motor? Quanto ao carbono, não poderia também ser utilizado como propelente da mesma forma?
#2
+5
John Bode
2016-08-25 22:17:30 UTC
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No momento , o limite principal é que estamos presos ao uso de unidades de reação, o que significa que você precisa gastar massa do propelente para acelerar a espaçonave. Portanto, seu ΔV total (mudança na velocidade) é limitado pela quantidade de propelente que você pode carregar e pela eficiência de seus motores, conforme especificado na equação do foguete de Tsiolkovsky

$$ \ Delta V = 9,8 * I_ { SP} * ln (MR) $$

onde MR é a razão de massa

$$ MR = {M_ {espaçonave} + M_ {propelente} \ over M_ {espaçonave}} $$

A nave espacial não tripulada Dawn está usando um motor iônico com um impulso específico (I sp ) de 3100 segundos, que é atualmente o motor mais eficiente em uso que eu conheço . Se a espaçonave carrega sua própria massa em propelente ($ M_ {espaçonave} = M_ {propelente} $, para um MR de 2), isso significa que podemos obter um ΔV total de ~ 21057 m / s. Rápido, mas não uma viagem interestelar rápida. Se a espaçonave carrega 9 vezes sua massa em propelente (MR = 10), podemos chegar a ~ 69953 m / s. Melhor, mas ainda não é bom o suficiente para um vôo interestelar. Para que uma espaçonave parecida com Dawn alcance 0,01 c (~ 3.000.000 m / s), precisaríamos de uma proporção de massa da ordem de $ 5,0 * 10 ^ {41} $. 1 sup>

Há um limite superior prático para a quantidade de massa que podemos lançar da superfície da Terra, o que restringe a quantidade de propelente que podemos enviar com a espaçonave.

Existem duas maneiras de contornar o problema - uma é acelerar a espaçonave usando radiação EM contra uma vela. Há um projeto chamado Breakthrough Starshot que busca usar um banco de lasers terawatt baseados em terra para acelerar uma espaçonave em escala de grama para 0,2 c (59958491 m / s) no espaço de cerca de 10 minutos. Também houve inúmeras idéias de usar uma vela com o vento solar do sol.

A outra é criar uma verdadeira unidade sem reação (como a unidade Alcubierre ou o EmDrive), que tem uma série de problemas (entre eles, como você contorna a conservação do momento e coisas assim).


  1. O fato de que ΔV aumenta com o logaritmo da massa razão é o que torna a equação do foguete tão tirânica. Cada kg de propelente adicionado tem que ser acelerado junto com a espaçonave, levando a retornos decrescentes. É por isso que não usamos foguetes para desacelerar a espaçonave Apollo ou os orbitadores do ônibus espacial antes de voltarem; apenas se traduziu em muita massa para lançar.

#3
+4
aramis
2013-07-25 16:50:37 UTC
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Simplificando: Combustível e eficiência do drive.

Há uma quantidade máxima de mudança de vetor possível com base na carga de combustível a bordo e na eficiência do drive em converter esse combustível em uma mudança de vetor.

Para acelerar (que é sinônimo de mudança de vetor) por um determinado tempo, é necessária uma determinada quantidade de combustível. Todo esse combustível precisa estar a bordo e não há como reabastecê-lo com eficiência durante o vôo.

Assim, o combustível e a eficiência da unidade se combinam para criar um vetor total máximo.

E vetor total é sinônimo de velocidade.

#4
+4
Mark Adler
2014-04-09 11:40:24 UTC
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É limitado pela capacidade e densidade que podemos fazer dos lasers. Um conceito de vela a laser contorna as questões do propulsor e da equação do foguete e, portanto, oferece a promessa das maiores velocidades possíveis. Claro, não seria fácil.

Não exatamente - nem a potência nem a densidade realmente importam, porque nada diz que você só pode ter um laser de lançamento. Você pode empilhar quantos precisar, o limite é a coerência do feixe.
#5
+3
Anthony X
2014-04-09 06:13:58 UTC
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O delta-V que um veículo espacial pode atingir depende da equação do foguete. Tudo se resume à proporção da massa total disponível para ser expelida como propelente e à velocidade dessa massa expelida. A velocidade da massa expelida depende da quantidade de energia armazenada que pode ser convertida em energia cinética.

Foguetes químicos têm apenas uma determinada quantidade de energia química armazenada nos reagentes (que também são a massa propelente), que determina a velocidade limite do propelente expelido, que impõe um limite superior no delta-V alcançável do veículo.

Mudar para um tipo diferente de propulsão em que a massa do propelente é expelida a uma velocidade muito maior pode teoricamente permitir que um veículo atinja velocidades muito mais altas. Claro, isso pressupõe a disponibilidade de uma fonte de energia que pode armazenar muito mais energia utilizável por unidade de massa de combustível - como a nuclear, e levanta a questão de como apenas acelerar o propelente.

O VASIMIR é um exemplo de tecnologia de empuxo que expele seus gases de escapamento a uma velocidade muito maior do que a alcançável com propelentes químicos. Pode não ser a tecnologia para impulsionar uma sonda interestelar (vários fatores parecem limitar o delta-V que poderia ser aplicado a uma espaçonave), mas alguma outra tecnologia com o objetivo de fazer a mesma coisa (exaustão de velocidade muito alta) apenas pode.

Até certo ponto, tudo se resume a dinheiro - para financiar a pesquisa e o desenvolvimento de novas tecnologias de propulsão. Mas também se resume à física básica.

#6
+2
UIDAlexD
2017-02-23 22:47:25 UTC
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De um modo geral, um motor de reação funciona jogando energia para fora para obter movimento para a frente. Agora, de acordo com a física do ensino médio, a energia que obtemos para lançar um pedaço de massa (propelente, em nosso caso) é

$$ Ke = {MV ^ 2 \ over 2} $$

Portanto, quanto mais rápido jogamos fora a massa, mais energia por unidade de massa obtemos. Em foguetes, isso é chamado de Velocidade de Escape ($ Ve $), com uma quantidade derivada chamada Impulso Específico ($ Isp $). Velocidades mais altas equivalem a melhor eficiência, até a velocidade máxima absoluta de $ c $, ponto no qual a matemática do ensino médio falha e a equação começa a parecer mais como $$ Ke = {MC ^ 2 \ over sqrt (1- (V / C) ^ 2)} - MC ^ 2 $$ Observe como eu disse Energia em vez de Massa. Os fótons se movem na velocidade máxima absoluta que o universo permite, e são portanto, o propelente perfeito para um foguete. Tecnicamente falando, uma simples lanterna é o ápice absoluto da tecnologia de foguetes ... Exceto por um pequeno problema.

Enquanto os fótons embalam o máximo possível de energia cinética por unidade de massa ( Como os fótons têm energia cinética sem ter massa está além de mim, mas eles têm. Vamos apenas chamar de massa para simplificar ), sua massa é incomensuravelmente pequena. Sua lanterna pode ser o ápice absoluto da Eficiência , mas seu impulso real é praticamente nada. Levaria anos para você perceber que sua lanterna havia se movido, o que nos leva a outro problema.

Embora levasse anos para que seu foguete de lanterna começasse a se mover, levaria apenas algumas horas para as baterias morrer. Para dar ao nosso foguete fóton a vida útil e a energia para fazer qualquer coisa, teríamos que usar uma pequena usina nuclear para alimentá-lo. Com toda essa massa extra, nossa já diminuta aceleração é esmagada por centenas de toneladas de reator.

Tecnologias como Ion-drives e VASMIR enfrentam limitações semelhantes. A fim de depositar energia suficiente em sua massa de reação para ser eficiente , eles têm que reduzir o fluxo do propelente a um gotejamento minúsculo do que poderia ser, o que significa que eles têm empuxo muito, muito baixo . Além disso, eles também requerem grandes quantidades de corrente elétrica, o que significa que enfrentam o mesmo problema que nosso foguete de lanterna movido a energia nuclear.

Levando tudo isso em consideração, o santo graal dos foguetes seria um motor de alto empuxo e alta eficiência. Existem apenas alguns competidores teóricos para o título, como o Zurbin NSWR ou o Projeto Orion. A maioria, senão todos, tem alguns inconvenientes bastante sérios e, como um deles envolve o Uso de armas nucleares para propulsão , é improvável que receba financiamento tão cedo.



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