Delta-v von der Merkuroberfläche zur Venusoberfläche

Was es auf der Dose sagt: Welches Delta-v müssten Sie unter Verwendung der effizientesten Startmöglichkeit, die die Orbitalmechanik bietet, einer Nutzlast verleihen, um sie von der Oberfläche des Merkur zum Absturz auf die Oberfläche der Venus zu schicken?

Antworten (2)

Unter der Annahme kreisförmiger, koplanarer Umlaufbahnen ist die Trans Venus Insertion (TVI) 8 km/s von der Merkuroberfläche entfernt. Das ist mit horizontalem Start und ohne Schwerkraftverlust. Das ist für die Hohmann-Übertragung mit minimaler Energie.

Das Verlassen des Hohmann-Transfers und die sanfte Landung auf der Venus würden 11,9 km/s dauern, wenn die Venus keine Atmosphäre hätte. Aber viel, vielleicht all diese 11,9 km / s könnten durch Aerobraking erreicht werden.

Ich habe meine Hohmann-Tabelle verwendet , um diese Zahlen zu erhalten.

Was meinst du mit "kein Schwerkraftverlust"? Meine Berechnungen deuten darauf hin, dass 8 km / s nicht schnell genug wären, aber ich könnte mich missverstehen.
@barrycarter Während des vertikalen Aufstiegs wird die Schwerkraft vom Schub der Rakete abgezogen. Das ist Schwerkraftverlust. Die Flugbahn, die Sie in Ihrer Antwort zeigen, ist nicht Hohmann, daher würde mehr Delta V als die Ellipse mit minimaler Energie benötigt. Ich habe Ihre Mathematik nicht untersucht. Ich verwende die Vis-Viva-Gleichung, eine weit verbreitete Methode in der Orbitalmechanik

Wenn Sie von der sonnenfernsten Seite des Merkur parallel zum Horizont in Richtung der Merkurbahn mit 13 km/s starten, wenn der Merkur-Sonne-Venus-Winkel 53 Grad beträgt, erreicht Ihre Nutzlast die Venus in 35 Tagen und sein Pfad würde etwa so aussehen (jeder schwarze Punkt = 1 Tag). WICHTIGE VORBEHALTE UNTER DEM BILD.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Dies beantwortet Ihre Frage nicht wirklich, da ich nicht sicher bin, ob 13 km / s die erforderliche Mindestgeschwindigkeit sind. Ich habe auch einige vereinfachende Annahmen getroffen (vielleicht zu viele), daher ist die obige Antwort nicht genau.

Hier ist das stark kommentierte Mathematica-Skript, das ich geschrieben habe, das auch die von mir vorgenommenen Vereinfachungen erklärt.


(* cleaned up and well-commented version for SE *)

(*

I assume that Mercury's orbit is planar, and that Venus' orbit lies in
the same plane, or at least intersects it at the appropriate time.

This allows me to use a two-dimensional equation for acceleration due
to gravity, instead of a 3 dimensional one.

The equation (below) is the acceleration imparted to an object of mass
m1 at {x1,y1} by an object of mass m2 at {x2,y2}, given that the
gravitational constant is g.

Note that the mass of the object being accelerated (m1) is actually
irrelevant; however, I include it as a parameter for symmetry

*)

accel[{x1_,y1_},{x2_,y2_},m1_,m2_,g_]=g*m2/Norm[{x2-x1,y2-y1}]^3*{x2-x1,y2-y1}

(* 

The mass, semimajor axis, period, and radius of Mercury, in kg, m (not
km), and s

*)

mercsma = 57909050000;
mercper = 87.9691*86400
mercrad = 2439700
mercmass = 3.3011*10^23

(* solar mass, in kg *)

sunmass = 1.98855*10^30

(* gravitational constant of universe, in kg-m-s system *)

g = 6.6740*10^-11

(* 

Heliocentric, so Sun is always at origin. In theory, the positions of
the other planets (eg, Jupiter) could help boost your payload, so you
might be able to launch with a lower speed than I find below

*)

sun[t_] = {0,0}

(*

I assume Mercury's orbit is circular. Since the actual orbit is
elliptical, you could get a boost for your payload by launching it
when Mercury's distance from the Sun is increasing the fastest (in
other words, solar radial velocity is greatest)

I've chosen the x axis to be the line connecting the Sun to Mercury at time 0.

*)

merc[t_] = {Cos[t*2*Pi/mercper],Sin[t*2*Pi/mercper]}*mercsma

(*

I also ignore Venus' own gravity: you can do slightly better by noting
that Venus will pull the payload towards itself once the payload gets
close enough.

I do want to plot Venus' orbit, so I use the semi-major axis and
period values below.

Venus' starting angle (vsa below) was found by trial and error to make
sure Venus was at the right place when the payload crossed its orbit.

*)

vensma = 108208000000
venper = 224.701*86400;
vsa = 53*Degree;
ven[t_] = {Cos[t*2*Pi/venper+vsa],Sin[t*2*Pi/venper+vsa]}*vensma

(*

If we launch from side of Mercury furthest from the Sun, the payload's
starting position will be Mercury's position plus Mercury's radius in
the x direction

NOTE: This start position is completely arbitrary; you may get better
results by starting at different positions on Mercury's surface.

*)

s0 = {mercsma+mercrad,0}

(*

The initial velocity of the payload (with respect to the Sun) will be
Mercury's velocity + whatever velocity (delta v) we impart to the
payload.

Note that both the direction I choose for initial velocity (in the
same direction as Mercury's orbit) and the magnitude are
arbitrary. You may get better results by aiming the payload at a 45
degree angle or straight up or something.

NOTE: If I change 13000 to 12500 below, Mathematica will refuse to
solve the differential equation. This doesn't necessarily mean 13000
is a minimal velocity, but there is apparently some sort of important
change between 12500 m/s and 13000 m/s

*)

v0 = merc'[0] + {0,13000}

(*

Mathematica won't close-form integrate this problem, so we integrate
numerically, which requires a start time (0) and an end time (below).

I chose 35 days after confirming that's how long it takes the payload
to reach Venus.

*)

timelimit = 86400*35;

nds = NDSolve[{s[0]==s0, s'[0] == v0,
 s''[t] == accel[s[t],sun[t],1,sunmass,g] + accel[s[t],merc[t],1,mercmass,g]
},s,{t,0,timelimit}]

(* The use of [[1,1,2]] below is just Mathematica nesting weirdness *)

g= ParametricPlot[{nds[[1,1,2]][t],merc[t],ven[t]},{t,0,timelimit}, 
 Mesh -> timelimit/86400, AxesOrigin->{0,0}, PlotStyle -> {Blue,Red,Green},
 MeshStyle -> {Black}
]
Ich denke, Sie möchten, dass es für minimale Energie den Mars erreicht, wenn es die gegenüberliegende Seite der Sonne erreicht hat, von der aus es gestartet wurde. Mit anderen Worten, Sie möchten eine elliptische Umlaufbahn mit Perihel am Merkur beim Start und Aphel am Mars.
Meinten Sie Venus? Und ich bin mir immer noch nicht sicher, ob das richtig ist? Wäre es nicht das Aphel für Merkur und das Erreichen der Venus am Perihel für eine minimal zurückgelegte Umlaufbahn?
Ich meinte das Aphel auf der Venus. Merkur ist näher an der Sonne, also muss es das Perihel sein. Dies ist die minimale Energieumlaufbahn, die die beiden Punkte verbindet.
Oh, Sie meinen, die Nutzlast sollte eine elliptische Umlaufbahn einnehmen, in der Merkur ihr Perihel und Venus ihr Aphel ist? Ich bin mir immer noch nicht sicher, ob das stimmt, da es die eigene Schwerkraft von Merkur ignoriert.
@barrycarter Außerhalb der planetaren Einflusssphären wird die Transferbahn als Ellipse mit Fokus im Sonnenzentrum modelliert. Innerhalb des planetaren Einflussbereichs wird die Umlaufbahn als Hyperbel mit Fokus im Planetenmittelpunkt modelliert. Geschwindigkeit einer Hyperbel ist s q r t ( v e s c 2 + v ich n f 2 ) . Dies ist die Patched-Conics-Näherung.
@barrycarter Ellipse mit minimaler Energie (auch bekannt als Hohmann) hätte tatsächlich ein Perihel bei Merkur und ein Aphel bei der Venus.
Stimme das ab. Ein Merkur zur Venus Hohmann würde etwa 76 Tage dauern. Von der Merkuroberfläche aus würde das Einsetzen in eine Hohmann-Umlaufbahn weniger als 13 km/s dauern.
@HopDavid Sie sagen also, die Hohmann-Umlaufbahn würde länger dauern, aber eine langsamere Anfangsgeschwindigkeit erfordern?
@barrycarter Ja.