Sie sagen, der Weltraum ist hart . Wenn Sie einfach ein großes Rohr voll Treibstoff und Oxidationsmittel auf einen überschüssigen Motor werfen und ihn anzünden, werden Sie heute nicht in den Weltraum fliegen .

Um ein Gefühl für den kleinsten Schuhspanner zu bekommen, den man haben kann, und trotzdem in den Weltraum zu gelangen, schauen Sie sich Rocket Lab in Neuseeland an. Sie haben die letzten 10 Jahre damit verbracht, die Fähigkeit zu entwickeln, zuverlässig in den Weltraum zu fliegen. Ihre Elektronenrakete ist eine der kleinsten Orbitalraketen, die jemals entwickelt wurden. Es kann etwa 150 kg für den niedrigen Preis von 6 Millionen US-Dollar in die Umlaufbahn schicken.

Mit 40.000 $ /kg ist das ziemlich teuer; SpaceX kann viel mehr zu Preisen unter 10.000 $ /kg heben. Was Electron bietet, ist eine schnelle Bearbeitungszeit, ein einzigartiger Startort (Neuseeland) und niedrige Gesamtstartkosten. Und ich bin überrascht zu entdecken, dass es den Mond erreichen kann ! 2019 soll der 300 kg schwere Moon Express auf den Markt kommen .

Scott Manley hat ein nettes Video über den Electron . Wenn Sie ein gutes Gefühl dafür bekommen möchten, wie schwer es ist, in den Weltraum zu gelangen, empfehle ich Ihnen dringend, sich seine anderen Videos über Raketenwissenschaft anzusehen.

Aber während 300 kg ausreichen, um ein paar Leute zu starten, reicht es nicht für all ihre Sachen: Nahrung, Wasser, Sauerstoff, Lebenserhaltung, Anzüge, Lander, Schiff, um nach Hause zu kommen. Und man kann nicht einfach skalieren. Hier ist der Grund.

Eine erfolgreiche Rakete erfordert das Lösen einer Reihe sehr, sehr schwieriger Probleme unter extremen Bedingungen. Leitsysteme, Kraftstoffpumpen , Düsendesigns, auslaufender Kraftstoff, Kryotechnik (flüssiger Sauerstoff und Wasserstoff müssen gefroren bleiben), Hitzeschilde (Sie möchten zurückkommen), Staging und so weiter.

Um in den Orbit zu gelangen, müssen Sie nicht nur 100 km hochfahren, das ist der einfache Teil. Es erfordert auch eine seitliche Fahrt mit 8 km/s oder etwa 29.000 km/h. Dies erfordert ein Delta-v von etwa 10 km/s. Um in die Mondumlaufbahn zu gelangen, sind zusätzliche 6 km/s erforderlich. Und Landung weitere 1,5 km/s.

Delta-v ist grob gesagt ein Maß dafür, wie stark Ihr Motor ist und wie lange er proportional zur Masse des Fahrzeugs brennen kann. Wenn die Masse steigt, sinkt Delta-v. Wenn die Masse sinkt, steigt Delta-v. Aufgrund der Tyrannei der Raketengleichung ist dies keine lineare Beziehung. Für jedes hinzugefügte kg Masse muss mehr Kraftstoff hinzugefügt werden, was mehr Masse bedeutet, was mehr Kraftstoff bedeutet. Um in eine niedrige Erdumlaufbahn zu gelangen, müssen etwa 85 % des Raumfahrzeugs aus Treibstoff bestehen. Staging ist effizienter, fügt aber Komplikationen hinzu. Um zum Mond zu gelangen, ist ein noch schlechterer Treibstoffanteil erforderlich.

Aus diesem Grund war es ein so kolossales Unterfangen, drei Menschen und 5.000 kg ihrer Sachen zum Mond zu bringen . Das lag nicht nur daran, dass wir lernen mussten, wie es geht, sondern weil der Umfang so enorm und teuer war. Deshalb sind wir nicht zurückgegangen. Und deshalb kann man aus überschüssigen Teilen keine Rakete bauen und zum Mond fliegen.

Salvage 1 war eine TV-Serie , die 1979 von einem TV-Pilotfilm ( Salvage ) ins Leben gerufen wurde. Ich habe die Show während ihrer ursprünglichen Ausstrahlung gesehen und den eskapistischen Spaß genossen, war mir aber ziemlich bewusst, dass es sich um reine Fantasie handelte.

Prämisse der Show

Harry Broderick (Andy Griffith) ist ein Mann, der ein Bergungsunternehmen betreibt und ein Talent dafür hat, das, was andere als Schrott ansehen, wirtschaftlich zu verwerten. Er sieht eine Gelegenheit darin, Hardware zu bergen, die die NASA während des Apollo-Programms auf dem Mond zurückgelassen hat, und rekrutiert einen Treibstoffexperten und einen ehemaligen Astronauten, um ihm beim Bau eines Raketenschiffs zu helfen, um es zu bergen.

Der Treibstoffexperte hat eine "magische" Formel für etwas, das um ein Vielfaches stärker ist, als es in irgendeiner Rakete verwendet wurde. IIRC, in der Show wurde es von der NASA als zu instabil abgetan.

Der ehemalige Astronaut hat eine Lieblingstheorie für eine Art Abkürzungsweg zum Mond, die die NASA als "kurbele" Wissenschaft abtat.

Die Kombination aus magischem Treibstoff und Abkürzungsweg macht eine Rakete möglich, die mit einem minimalen Budget gebaut wurde und eine Bergung von Dingen ausführen kann, die die NASA auf dem Mond zurückgelassen hat.

Raketentreibstoff

Der Raketentreibstoff Salvage 1 ist reine Hollywood-Fiktion. Das John D. Clark-Buch "Ignition!" präsentiert einen Bericht über die Suche der Menschheit nach dem "besten" möglichen Raketentreibstoff ("am besten" hängt von den Qualitäten ab, die als höchste Priorität ausgewählt wurden). Das Buch zeigt die zahlreichen Forschungs- und Entwicklungswege und die entsprechenden Ergebnisse auf. Basierend auf der Weisheit, die in diesem Buch offenbart wird, könnte kein solcher Treibstoff, wie er in der Show dargestellt wird, existieren. Der Menge/Dichte der Energie, die chemisch gespeichert werden kann, sind Grenzen gesetzt. Die Brennstoffe, die sich diesen theoretischen Grenzen nähern, sind extrem schwierig zu handhaben – hochgiftig (Reaktanten und Reaktionsprodukte) und ätzend und/oder instabil – im Grunde teuer und gefährlich in der Herstellung und Handhabung. Sicherere Kraftstoffe (wie sie üblicherweise verwendet werden) haben eine geringere Leistung, aber der Unterschied ist nicht "

Abkürzung zum Mond

Die „Abkürzung“ zum Mond zeigt ein mangelndes Verständnis der Autoren der Show für Physik auf Highschool-Niveau. Die Prämisse in der Show ist, dass es eine kostspielige und unnötige Übung ist, zuerst in die Umlaufbahn zu gehen, die vermieden werden kann, indem man einen geraden Weg einschlägt. Aus der Perspektive des gesunden Menschenverstandes könnten Sie denken, dass dies wahr ist. Die Gesetze der Physik zeigen jedoch, dass der kostengünstigste Ansatz (mehr oder weniger) darin besteht, sich über die Atmosphäre zu erheben (na ja, das meiste davon), dann auf Umlaufgeschwindigkeit zu beschleunigen, damit Sie nicht auf die Erde zurückfallen, und Beschleunigen Sie schließlich etwas mehr, um auf eine Transferbahn zu Ihrem Ziel zu gelangen. Tatsächlich sind diese Schritte etwas miteinander vermischt, aber der entscheidende Punkt ist, dass Sie für einen energieeffizienten Flug mit Raketenantrieb Folgendes tun können.

Zusammenfassung

Die Show warf ein paar Leckerbissen "echter Wissenschaft" ein, umging aber größtenteils die echte Physik und alle möglichen Probleme, die gelöst werden müssen, um eine Nutzlast in den Weltraum zu bringen und sich mit der Weltraumumgebung (Schwerkraftlosigkeit, keine Atmosphäre) auseinanderzusetzen , solare/kosmische Strahlung). Dies gilt sowohl für Personen als auch für Geräte. Die Show verzerrte auch den Maßstab in allen möglichen Dingen, einschließlich der Entfernung zum Mond und der Zeit, die benötigt wird, um ihn zu durchqueren, der Höhe der Atmosphäre und (wieder) der Zeit, die benötigt wird, um sicher zwischen der Erdoberfläche und einer Weltraumumgebung zu reisen.

Das Apollo-Programm war teuer, aber es suchte den "billigsten" möglichen Weg zum Mond, da die Flugbahn in jeder Phase die geringstmögliche (oder ungefähr) Menge an Treibmittel erforderte. Es wählte auch das optimale Treibmittel für jede Aufgabe aus.

• Um eine wirklich massive Rakete vom Boden abheben zu können, war ein enormer Schub erforderlich. RP-1 (raffiniertes Kerosin) und flüssiger Sauerstoff erweisen sich in dieser Rolle als die beste Wahl für eine chemische Rakete (wie sie in der ersten Stufe von Saturn V verwendet wird).
• Das Erreichen der Orbital-/Transferflugbahngeschwindigkeit erfordert einen hohen spezifischen Impuls - für eine chemische Rakete bedeutet dies flüssigen Wasserstoff und flüssigen Sauerstoff (die zweite und dritte Stufe des Saturn V).
• Nach ein paar Tagen im Weltraum (von der Küste bis zur Mondumlaufbahn) wird die Lagerfähigkeit zu einem wichtigen Gesichtspunkt, und da die Besatzung nun nicht mehr praktisch zu retten ist, ist die Zuverlässigkeit ebenfalls ein Hauptanliegen, weshalb trotz des geringeren spezifischen Impulses hypergolische Treibmittel verwendet werden (Apollo CSM und LM).

Was Apollo teuer machte, war zum Teil, dass der Weltraum schwierig ist, und zum Teil, dass das Kennedy-Mandat, zum Mond zu fliegen, mit einem aggressiven Zeitrahmen verbunden war. SpaceX zeigt, dass der Zugang zum Weltraum kostengünstiger sein kann, aber man kann nur so weit gehen.

Nur einige der Dinge, die Raketentechnik und Raumfahrt teuer machen:

• Gewicht ist entscheidend, und alles summiert sich. Teile und Materialien müssen leicht und dennoch stark genug sein, um die erforderliche Arbeit zu leisten.
• Es gibt wenig oder keinen Raum für Mängel. Gewichtseinsparungen bedeuten, dass Sie wenig Platz für Materialien lassen, die unter den Spezifikationen liegen. - alles muss von hoher Qualität sein, damit nichts Wichtiges kaputt geht und Ihren Tag ruiniert. Und im Allgemeinen, da Sie Ihr Gewicht niedrig halten müssen, haben Sie nur das, was Sie brauchen, also ist nichts unwichtig.
• Materialien, die in Motorteilen verwendet werden – Brennkammern, Turbinenschaufeln von Kraftstoffpumpen und dergleichen – müssen gleichzeitig hohen Temperaturen und Belastungen standhalten und müssen mit engen Toleranzen hergestellt werden. Die Materialien und Herstellungsverfahren, um dies zu erreichen, sind nicht billig.
• Systeme müssen in der Schwerelosigkeit funktionieren. Der Umgang mit der Art und Weise, wie sich Flüssigkeiten ohne Schwerkraft bewegen, kann ein echter Trick sein.
• Systeme müssen im Vakuum arbeiten. In Abwesenheit von Luft können bewegliche Teile im Vakuum miteinander verschweißt werden. Lager usw. müssen so konstruiert und hergestellt werden, dass sie im Vakuum funktionieren.
• Alles, was Sie brauchen, müssen Sie selbst mitbringen . Das kann zu einer langen Liste, großen Mengen an Vorräten wie Luft und Wasser führen und das Massenbudget in die Höhe treiben.

Ja, Sie können eine billige Rakete bauen, aber eine billige Rakete bringt Sie nicht ins All. Um auf "billig" zu kommen, muss man wichtige Dinge opfern. Es kann zu zerbrechlich sein und brechen; es kann zu schwer sein und Sie nicht sehr weit bringen; Es kann sein, dass es nicht genug Treibstoff mit sich führt und Sie wiederum nicht sehr weit bringt; es kann zu ineffizient sein (niedriger ISP) und Sie nicht schnell genug zum Laufen bringen; Dinge funktionieren möglicherweise nicht, wenn sie benötigt werden, weil sie nicht richtig für die Umgebung entwickelt oder getestet wurden, in der sie sich befinden, wenn sie aufgerufen werden.