Gibt es einen Grund, warum ein Raumschiff ohne Schwerkraftunterstützung nicht umkehren könnte?

Angenommen, Sie rollen von der Spitze einer Halfpipe-Skateboardrampe herunter und möchten zu Ihrem Ausgangspunkt zurückkehren. Wenn Sie in der Mitte der Röhre anhalten, ist es viel schwieriger, zum Ausgangspunkt zurückzuklettern, als wenn Sie auf der anderen Seite der Rampe hochfahren und sich von der Schwerkraft zurück beschleunigen lassen.

Auch wenn Sie vorhatten, in eine Marsumlaufbahn zu gelangen, sind die meisten Umlaufbahnen so gewählt, dass Sie nur eine kleine Menge Energie aufwenden, um abzubremsen, um in die Umlaufbahn zu gelangen, und nur eine kleine Menge Energie aufwenden, um die Umlaufbahn zu verlassen und zurück zu schleudern. Vergleichen Sie dies mit dem Anhalten Ihres Raumfahrzeugs in der Mitte des Weltraums und dem Zurückbeschleunigen. Schließlich erhalten Sie den Schwung, den Ihr Raumschiff hat, während es um den Planeten kreist.

Alle anderen Antworten sind großartig, aber ich denke, eine Erklärung fehlt noch: Wie ein interplanetarer Orbitaltransfer in der Praxis tatsächlich funktioniert.

Die Sache ist, der Raum ist ziemlich groß, und die Dinge bewegen sich ständig. Gleichzeitig werden Sie ständig von allen anderen Körpern in einem Planetensystem angezogen (wir können andere Sterne für interplanetare Transfers ignorieren). Das Reisen zwischen Planeten ist also nicht so einfach wie das Richten Ihres Schiffes in Richtung Planet B und das Drücken des Geschwindigkeitspedals.

Es geht also weiter. Die historischen Marsmissionen haben zwischen etwa 100 und mehr als 300 Tagen gedauert – letzteres bedeutet eigentlich, dass sich der Mars zum Zeitpunkt Ihrer Ankunft auf der anderen Seite des Sonnensystems befindet als zu Beginn. Sie müssen darauf abzielen, wo der Mars sein wird , und nicht, wo er ist. Nun, das ist kein allzu großes Problem für die Reise selbst, aber denken Sie darüber nach, was passiert, wenn Sie irgendwann während der Reise abbrechen - die Erde hat sich auch bewegt. Es ist nicht so einfach, Ihr Raumschiff in die entgegengesetzte Richtung zu lenken und wieder zu beschleunigen – die Erde ist nicht mehr dort, wo sie zu Beginn war.

Warum dauert es so lange bis zum Mars? Nun, Platz ist groß. Diese Sonden waren normalerweise mit etwa 20.000 km/h unterwegs – für terrestrische Verhältnisse ziemlich schnell. Aber die kürzeste Entfernung zwischen Erde und Mars beträgt immer noch über fünfzig Millionen Kilometer. Die einzige Möglichkeit, schneller dorthin zu gelangen, besteht darin, Ihre Geschwindigkeit zu erhöhen. Hier liegt das Hauptproblem – unsere Raumschiffmotoren sind eigentlich extrem ineffizient. Düsentriebwerke sind viel weniger effizient als Autotriebwerke, aber für Raketentriebwerke sind sie immer noch Peanuts.

Es gibt zwei Hauptgründe - Treibmittel und Kraftstoff. Wenn Sie Ihr Auto fahren, stoßen die Räder von der Erde ab - im Grunde "stehlen" oder "geben" Sie der Erde Schwung, was bedeutet, dass Ihr Auto nur genug Energie produzieren muss, um Ihre kinetische Energie zu liefern, oder zu geben nehmen. Bei 100% Wirkungsgrad im Vakuum würde ein 1-Tonnen-Auto nur etwa 300 kJ Energie benötigen, um auf 100 km/h zu beschleunigen - das entspricht etwa 10 Gramm Benzin an Energie. Das Erste, was nervt, ist, dass die kinetische Energie quadratisch zur Geschwindigkeit wächst – eine Beschleunigung auf 200 km/h kostet also statt 600 kJ rund 1400 kJ Energie. Um auch nur auf diese 20.000 km/h zu kommen, würde man etwa 1400 MJ Energie (1,4E10 J) benötigen – das Äquivalent von etwa 280 kg Benzin, was mehr als einem Viertel der Masse des Autos selbst entspricht.

Ein Viertel der Masse ist schon viel – ein Raumschiff kann nicht einfach alle paar Kilometer anhalten, um seinen Treibstofftank aufzufüllen. Es muss von Anfang an seinen gesamten Kraftstoff mitführen - unser Beispielauto wäre also nicht wirklich 1 Tonne, sondern 1 Tonne + 280 kg Benzin. Und diese 280 kg Benzin bräuchten noch mehr Benzin, um sich selbst zu beschleunigen – dies ist bekannt als die Tyrannei der Raketengleichung – je mehr Treibstoff man bringt, desto mehr Treibstoff braucht man, um den Treibstoff zu bringen usw. Nun, wenn wir das tatsächlich hätten eine Rakete, die mit nur 280 kg Treibstoff 1 Tonne auf 20.000 km/h beschleunigen könnte, wir wären putzmunter. Aber wir haben nichts in der Nähe davon. Wieso den? Die beiden oben genannten Gründe - Kraftstoff und Treibmittel.

Sie werden vielleicht sagen, warte, wir haben den Kraftstoff schon abgerechnet - das sind die 280 kg Benzin (plus das Benzin für das Benzin, ...), richtig? Nö. Benzin zerfällt nicht einfach spontan und setzt Energie frei – es wird verbrannt, was nur eine einfache Art zu sagen ist, dass es chemisch mit Sauerstoff interagiert. Ihr Auto kann problemlos den Umgebungssauerstoff nutzen und erhält seine Masse kostenlos, aber Raketen bewegen sich normalerweise im Vakuum - sie müssen auch ihren Sauerstoff für die Fahrt mitbringen. Das ist natürlich zusätzliche Masse. Wie viel Masse? Nun, nach einer sehr vereinfachten Berechnung (unter Berücksichtigung der perfekten Verbrennung von reinem Oktan) benötigen Sie etwa 3,5 kg Sauerstoff, um 1 kg Benzin zu verbrennen. Ich denke, Sie können das Problem jetzt sehen - während wir die 280 kg im Vergleich zu unserem 1-Tonnen-Auto kaum ignorieren können,

Aber warte, das ist noch nicht vorbei. Dies erklärt den Kraftstoffteil des Problems, aber es gibt immer noch das Treibmittel. Autos brauchen keinen Treibstoff, da sie vom Boden abstoßen. Sogar Jets müssen keinen eigenen Treibstoff mitführen , da sie wieder Umgebungsluft als Treibstoff und Treibstoff verwenden. Aber auch hier hat unser Raketentriebwerk nicht den gleichen Luxus. Es muss seinen Treibstoff auf der Reise mitführen. Dies ist der Punkt, an dem die Raketenwissenschaft wirklich kompliziert wird (und wir haben noch nicht einmal einen Blick auf die Umlaufbahnen oder den interplanetaren Transit geworfen!).

Die Impulserhaltung besagt im Grunde, dass Sie, um in eine Richtung zu beschleunigen, etwas anderes mit der gleichen Masse in der entgegengesetzten Richtung mit der gleichen Beschleunigung beschleunigen müssen. Sie können auch Masse gegen Geschwindigkeit eintauschen - je schneller Sie Ihren Treibstoff wegwerfen, desto weniger Masse muss er haben, um Ihnen die gleiche Beschleunigung zu geben. Das ist die Abgasgeschwindigkeiteiner Rakete - die Geschwindigkeit des Treibmittels relativ zur Rakete. Um Ihnen einen kleinen Maßstab zu geben: Eine typische Flüssigsauerstoff+Flüssigwasserstoff-Rakete hat eine Abgasgeschwindigkeit von etwa 18.000 km/h. Dies bedeutet im Grunde, dass Sie zum Beschleunigen eines 1-Tonnen-Raumschiffs auf 18.000 km/h 1 Tonne Treibstoff benötigen (ohne die Masse des Treibstoffs und des Treibstoffs selbst und die Masse des Motors). Wenn wir aufhören, die Masse des Treibstoffs und Treibmittels zu ignorieren, müssen wir uns der Raketengleichung zuwenden – auch hier braucht man mehr Treibstoff, um den Treibstoff zu beschleunigen.

Die Raketengleichung hat die folgenden Unbekannten:

• Der Betrag der erforderlichen Geschwindigkeitsänderung (bekannt als Delta-V ). In unserem Fall sind das 20.000 km/h – oder etwa 5.500 m/s.
• Die Austrittsgeschwindigkeit unserer Rakete. In unserem Fall 18.000 km/h oder etwa 4.900 m/s.
• Die "trockene" Masse des Raumschiffs - also ohne Treibstoff und Treibmittel. In unserem Fall bleiben wir beim Wert von 1 Tonne.
• Die "anfängliche" Masse des Raumschiffs, einschließlich Treibstoff und Treibmittel. Das wollen wir feststellen.

Wenn wir die bekannten Werte in unsere Gleichung einsetzen, erhalten wir eine Anfangsmasse von etwa 3,2 Tonnen - Sie benötigen also etwa 2,2 Tonnen Treibstoff, um Ihr 1-Tonnen-Raumschiff auf 20.000 km/h zu bringen. Das ist schon ziemlich schlecht - vergiss nicht, dass wir das Raumschiff auch erst in den Orbit bringen müssen, wo das Nutzlast/Treibstoff-Verhältnis noch schlechter ist. Aber warte, es kommt noch schlimmer. Um das Schiff zu stoppen, Sie noch einmalmüssen um den gleichen Betrag beschleunigen. Weitere 5.500 m/s bringen uns auf eine Brennstoffmasse von 9,3 Tonnen – und das ist gerade noch am Ziel. Um eine Rückfahrt während der Fahrt zu ermöglichen, benötigen Sie 5.500 m/s für die anfängliche Beschleunigung, 5.500 m/s zum Anhalten, 5.500 m/s zum erneuten Anfahren und 5.500 m/s zum Anhalten am Ende. Dies gibt Ihnen eine monströse Delta-V-Anforderung von 22.000 m/s, was 106 Tonnen Treibstoff für Ihr winziges 1-Tonnen-Raumschiff erfordert. Und das ignoriert die Masse, die erforderlich ist, um den gesamten Kraftstoff tatsächlich zu speichern , sowie alle Kraftstoffleitungen usw., die erforderlich sind, um ihn zum Motor zu bringen!

Es sollte offensichtlich sein, dass das, was Sie vorschlagen, mit unserer derzeitigen Raketentriebwerkstechnologie so gut wie unmöglich ist. Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu umgehen - eine ist die Inszenierung (Wegwerfen "verbrauchter" Teile Ihres Raumschiffs), eine Ihre Delta-V-Anforderungen so gering wie möglich zu halten.

Staging ermöglicht es Ihnen, Raketen mit höheren Treibstoff/Schiffsmasse-Verhältnissen zu bauen. Für eine einstufige Rakete ist ein Verhältnis von etwa 15 bereits ziemlich schwierig, und alles über 20 ist angesichts unserer Technologie sehr unrealistisch. Dies liegt hauptsächlich daran, dass Sie alle Arten von Stützen usw. benötigen, um sicherzustellen, dass Ihre Rakete nicht zerbröckelt (oder explodiert - die übliche Brennstoffmischung besteht aus flüssigem Wasserstoff und flüssigem Sauerstoff). Das Coole am Staging ist, dass Sie im Grunde die Massenverhältnisse der verschiedenen Stufen multiplizieren. Um also ein Massenverhältnis von 100+ zu erreichen, könnten Sie beispielsweise drei Stufen mit jeweils einem Massenverhältnis von 5 verwenden. Der Nachteil ist, dass Sie Ihre verbrauchten Bühnen am Ende überall verstreuen (ihr Preis ist ziemlich weggeworfen und Raumschiffbühnen sind nicht gerade billig) und Sie müssen immer noch große Mengen Treibstoff verbrauchen, um ein bisschen Nutzlast zu liefern .

Hier kommen die Delta-V-Tricks ins Spiel. Ein großartiger Trick besteht darin, die Atmosphäre des Ziels für die endgültige Bremsung zu nutzen – dies wird beispielsweise ständig von Raumfahrzeugen verwendet, die zur Erde zurückkehren. Anstatt Ihre gesamte Umlaufgeschwindigkeit zunichte machen zu müssen, müssen Sie nur etwa 100 m / s oder so reduzieren, um Sie tief genug in die Atmosphäre zu bringen, damit Sie genug Luftwiderstand haben, um die verbleibende Umlaufgeschwindigkeit zu "stehlen". Das Gleiche mit interplanetaren Geschwindigkeiten zu tun, ist jedoch etwas schwieriger - Sie haben nur eine begrenzte Zeit, um genügend Geschwindigkeit loszuwerden, um Sie in eine vernünftige Umlaufbahn zu bringen. Und je schneller Sie bremsen müssen, desto stärker muss Ihre Raumschiffstruktur sein – und eine stärkere Struktur bedeutet mehr Masse. Ein weiterer Grund, das Schiff/die Sonde so klein wie möglich zu halten.

Ein weiterer großartiger Trick besteht darin, die Schwerkraft anderer Planeten zu nutzen, um Ihre Geschwindigkeit zu modifizieren – dies erfordert viel Planung, ermöglicht es Ihnen jedoch, sowohl zu beschleunigen als auch zu verlangsamen, ohne Kraftstoff zu verbrauchen (außer dem für Pfadkorrekturen erforderlichen Bit). Dies wurde bei den Voyager-Missionen der 70er Jahre erfolgreich genutzt - Voyager 1 hat dank seiner zahlreichen Schwerkraftunterstützungen eine Geschwindigkeit von über 17 km/s erreicht. Selbst dann ist dies nur etwa die Hälfte der Umlaufgeschwindigkeit der Erde - Sie möchten also wirklich sicherstellen, dass Sie beim Start so viel Geschwindigkeit wie möglich von der Erde stehlen. Das Schwierige daran? Zum einen ist es etwas langsam. Der Weg, den Sie einschlagen, wird wahrscheinlich viel länger sein als ein direkter Weg, insbesondere wenn Sie mehrere Schwerkraftunterstützungen von mehreren Planeten benötigen. Die Voyager-Missionen waren hauptsächlich möglich, weil in den 70er Jahren Die äußeren Planeten waren so ausgerichtet, dass die Voyager Jupiter und Saturn (+ Uranus für Voyager 2) in einer Folge von Unterstützungen verwenden konnten, die ihre Geschwindigkeit "kostenlos" erhöhten. Der Trick dabei? Diese Ausrichtungen kommen nicht allzu oft vor. Eine andere Ausrichtung, die dieselbe Art von Mission ermöglichen würde, findet etwa einmal im Jahr 170 stattJahre .

Nun, das Problem der Planetenposition ist kein so großes Problem, wenn man von der Erde zum Mars reist – zum einen braucht man nicht annähernd so viel Delta-V wie die Voyager, und zum anderen haben sowohl die Erde als auch der Mars viel kürzere Umlaufbahnen . Aber dennoch, wenn wir uns an moderne Raketen halten (im Gegensatz zu den sogenannten "Torchships", die in der Lage wären, die gesamte Reise zu beschleunigen und viele der hier erwähnten Probleme dank ihrer massiven Abgasgeschwindigkeiten zu vermeiden), Position ist sehr wichtig. Daraus ergibt sich das bekannte Konzept der Startfenster (die auch in Dramen sehr effektiv eingesetzt werden – „wenn wir jetzt nicht gehen, ist unsere nächste Option in 3 Jahren, bis dahin würden wir verhungern“).

Wenn Sie mit dem geringstmöglichen Delta-V-Budget irgendwo hinkommen wollen, sind Hohmann-Transferorbits Ihr Freund. Sie sind jedoch auch die langsamsten und am stärksten von der Ausrichtung der Planeten abhängig. Startfenster sind ziemlich regelmäßig – die Voyager-Missionen haben wiederum Startfenster alle 175 Jahre oder so und Mars-Missionen etwa 780 Tage. Je mehr Delta-V Sie bereit sind auszugeben, desto größer ist Ihr Startfenster und desto kürzer ist Ihre Reise.

Um beispielsweise von der Erde zum Mars und zurück zu gelangen, sind mindestens etwa 30 km/s Delta-V erforderlich. Zum Vergleich: Die massive Saturn-V-Rakete erreicht nur etwa 18 km/s. Es sollte nicht sehr überraschen, dass wir die interplanetaren Sonden so leicht wie möglich machen und sie nicht wieder zurückbringen :) Diese Reise würde etwa 17 Monate dauern. Das ist ziemlich lang - es spielt für eine unbemannte Sonde keine große Rolle, aber jede menschliche Besatzung müsste eine Menge Vorräte mitbringen, ziemlich gut im Recycling sein und nicht wütend werden. Durch das Hinzufügen von mehr Delta-V zum Budget können wir dies erheblich reduzieren - mit 53 km / s können Sie die Reise in nur zwei Monaten absolvieren. Natürlich übersteigt das Erreichen eines Delta-V von 53 km/s unsere derzeitigen Möglichkeiten bei weitem. Wenn man die Masse der ziemlich massiven Kraftstofftanks außer Acht lässt, bräuchte man ein Massenverhältnis von etwa 80 000. Huch. Interessant,

Also, was ist mit absolut absurden , unverschämten Delta-Vs? Der nächste offensichtliche Schritt ist etwas, das die ganze Reise beschleunigen kann. Wir experimentieren bereits mit Ionenantrieben für genau das, aber mit der Art von Beschleunigung, die wir bekommen, ist es für Menschen nicht wirklich nützlich. Aber stellen wir uns vor, wir haben einen Fusionsbrennerantrieb, der uns genügend erreichbares Delta-V gibt. Den Delta-V auf 370 km/s beschleunigen (erinnern Sie sich, wie ich absurd sagtedelta-V?) macht die Hin- und Rückfahrt etwa einen Monat lang. Dies entspricht einer konstanten Beschleunigung von etwa 0,01 g. Zu diesem Zeitpunkt stellt die Orbitalmechanik keine große Einschränkung mehr dar, sodass das Hinzufügen von mehr Delta-V dazu führt, dass Sie fast eine lineare Beschleunigung erzielen - 0,1 g Beschleunigung erfordern etwa 1.100 km/s für eine 12-tägige Hin- und Rückfahrt, und 1 g erfordert " nur" 3 500 km/s für eine 4-tägige Hin- und Rückfahrt.

Sobald Sie ein Fackelschiff erreicht haben, ist Ihr ursprüngliches Problem offensichtlich verschwunden. Selbst für das 0,01-g-Szenario mit konstanter Beschleunigung ist Ihre Geschwindigkeit im Vergleich zu Umlaufgeschwindigkeiten enorm, sodass die Kosten für das Wenden Ihres Schiffs relativ gering sind (im Vergleich dazu, den ganzen Weg und wieder zurück zu fahren), und die Auswirkungen all dieser Manövriertricks sind ziemlich winzig (damit Sie 1 km / s meines Delta-V-Budgets einsparen können? Große Sache ...).

Aber solange Sie in einer modernen Rakete fliegen, die 9 Monate dauert, um zum Mars zu gelangen, gibt es kein Zurück mehr, wenn Sie einmal auf der interplanetaren Flugbahn sind. Selbst wenn Sie Ihren gesamten verbleibenden Treibstoff verbrauchen, werden Sie Ihr Schiff nicht einmal anhalten, geschweige denn wenden. Sie müssen nur den Rest der Reise aussetzen :)

Ich gehe davon aus, dass sich "auf halbem Weg dort" auf die halbe Strecke der Transferbahn von der Erde zum Mars bezieht und dass Sie mit "umkehren" sofort die umgekehrte Richtung meinen. Es gibt keinen Grund, warum ein Raumfahrzeug dies "nicht" kann, aber der Grund, warum es völlig unpraktisch ist, liegt in dem Treibstoff, der erforderlich ist, um die Flugbahn des Raumfahrzeugs zu ändern.

Um einen Transfer von der Erde zum Mars abzubrechen, um zur Erde zurückzukehren, muss das Raumschiff auf seiner aktuellen interplanetaren Transferbahn weiterfahren, bis es zur Erde zurückkehrt – aber am wichtigsten ist, dass die Transferbahn mit einer Periode ausgewählt wird, damit das Raumschiff auf die Erde trifft . Ohne das richtige Timing kehrt das Raumschiff dorthin zurück, wo die Erde beim Start war, und nicht dort, wo die Erde sein wird, wenn sie denselben Punkt erreicht. Diese Art von Abbruchszenario verwendet eine sogenannte Flugbahn mit freier Rückkehr , die während Apollo 13 verwendet wurde (zusammen mit einem anschließenden Antriebsmanöver, um die Rückkehr zu beschleunigen und den Ort der Wasserung zu verschieben).

Sie können eine Erörterung von Erde-Mars-Abbruchszenarien in diesem Papier finden – siehe Seite 20. Sowohl eine freie Rückflugbahn als auch eine treibende oder schwerkraftunterstützte Rückflugbahn werden diskutiert.

Hier ist ein Vergleich einer 2-jährigen Flugbahn mit freier Rückkehr auf der linken Seite und einer Flugbahn mit treibendem Abbruch auf der rechten Seite (aus dem oben verlinkten Artikel). Beachten Sie, dass die gepunktete grüne Linie rechts die Flugbahn ohne Antriebsmanöver anzeigt (die die Erde nicht zum richtigen Zeitpunkt erreichen würden).

Es gibt keinen einzigen Grund, warum ein Raumschiff seine Flugbahn nicht ändern könnte, um zur Erde zurückzukehren, es erfordert nur das entsprechende Delta-V-Budget und die entsprechende Zeit.

Je nachdem, wofür das Fahrzeug ursprünglich entwickelt wurde, verfügt es möglicherweise nicht über das Delta-V, um eine solche Kursänderung durchzuführen.

• Zum Beispiel würde das Delta-V, das auf einem Einweg-Marsschiff verbleibt, selbst wenn es eine raketengetriebene sanfte Landung auf dem Mars verwendet hat, sicherlich nicht das Delta-V haben, um viel früher, wenn überhaupt, im Vergleich dazu zur Erde zurückzukehren eine Schleuder.

• Im Gegensatz dazu könnte das Delta-V, das auf einem Zwei-Wege-Marsschiff ohne separaten Lander bleibt (von der Erde zum Mars, landen, zurück in die Umlaufbahn, zurück zur Erde), das Manöver wahrscheinlich abbrechen, wenn auch nicht unbedingt im zweckmäßigste Weg (Eintauchen näher an die Sonne als die Erdumlaufbahn, um sie "einzuholen").

• Als Ausgleichspunkt ist ein Schiff, das zum Mars fliegen, im Orbit bleiben soll, während ein Lander auf die Oberfläche fällt und zurückkehrt, und dann den nächsten bequemen Transfer zurück zur Erde zu nehmen, eine Frage, ob es das Delta hat oder nicht v erforderlich, um 'zurückzukehren'.

In Anbetracht dessen wäre die zeitsparendste Rückkehr sehr teuer, Delta-V-weise, und die Besatzung oder die Vorräte könnten keine Zeit mehr haben, um auf einen kraftstoffeffizienteren Transfer zu warten. insbesondere wenn auf dem Mars nachgetankt oder nachgefüllt werden sollte.

Dies wäre ganz einfach selbst auszuprobieren, laden Sie einfach die KSP -Testversion herunter und verwenden Sie ein vorgefertigtes Schiff. Das Sonnensystem ist nicht ganz dasselbe, aber Sie können die relativen Vorzüge jedes Manövers mit Duna sehen oder einen Mod herunterladen, um es in einer anständigen Annäherung an uns zu tun.

Wenn Sie in den Foren nett genug fragen, kann jemand die Antwort für Sie in Videoform aufzeichnen.

BEARBEITEN

Eine kurze Anmerkung dazu, was Delta-v ist, falls Sie es nicht kennen: Delta-v ist ein Maß für die Geschwindigkeitsänderung, die Ihr Fahrzeug ausführen kann. Wenn Sie Fahrrad fahren und 4 Meilen pro Stunde fahren und 10 MPH fahren möchten, benötigen Sie 6 MPH Delta-V. Sie können dies Ihrem "Fahrzeug" auf der Erdoberfläche aus Energie liefern, die aufgrund der Schwerkraft gegen die Reibung der Oberfläche aufgewendet wird.

Da es im Beinahe-Vakuum des Weltraums so wenig Materie gibt, gibt es kaum Reibung, mit der man sich abstoßen könnte. Die einzige (aktuelle) Methode, um Ihre Geschwindigkeit im Raum zu ändern, besteht darin , Masse in die entgegengesetzte Richtung zu werfen . Es hilft, wenn Sie die Masse schnell „werfen“, weshalb wir Raketentreibstoff verwenden, der verbrennt und anschließend ziemlich schnell „geschleudert“ wird.

Die andere zu beachtende Sache ist, dass Trajektorien zwischen Objekten im Raum typischerweise eine Variante von Transferbahnen sind und nicht einfach auf etwas „zusteuern“. Sobald eine Umlaufbahn eingerichtet ist, wird ein Manöver gezeichnet, das diese Umlaufbahn in eine ändert, die eine andere Umlaufbahn zu einem Zeitpunkt sehr nahe an der Ankunft des Zielobjekts schneidet. "Umdrehen" wird dann nicht einfach zu einer Kursumkehr oder "eine 180° ziehen", sondern wieder zu einer Änderung der Umlaufbahn für eine Rücktransferumlaufbahn, die den ursprünglichen Körper schneidet.

Ein sehr verbreiteter ist der Hohmann Transfer Orbit , und der Wiki-Artikel ist ein guter Anfang.

Ich versuche es mit einer weniger technischen Antwort, denn die meisten Menschen sind mit den Größenordnungen der Raumfahrt nicht vertraut, und Sci-Fi-Actionfilme haben uns gelehrt, dass das Fliegen im Weltraum genauso ist wie ein Schiff, das auf dem Meer kreuzt.

Um der Schwerkraft der Erde zu entkommen, braucht es viel Geschwindigkeit. Sie benötigen über 40000 km/h, das ist mehr als 40-mal schneller als ein Düsenflugzeug und mehr als 10-mal schneller als der schnellste Kampfjet, der jemals geflogen ist. Um diese Geschwindigkeit zu erreichen, braucht man einen riesigen Raketenmotor und wahnsinnig viel Treibstoff.

Wenn Sie im Weltraum nicht die Schwerkraftunterstützung verwenden, sondern sich auf Ihre eigenen Motoren verlassen möchten, um umzukehren, müssen Sie (fast) die gleiche Menge an Energie aufwenden, um das zu stoppen, was Sie am Anfang beschleunigt haben, und dann ausgeben diese Energie wieder, um die gleiche Geschwindigkeit in die andere Richtung zu erreichen. Warum also nicht einfach dreimal so viel Sprit mitnehmen? Denn im Gegensatz zu einem Auto, bei dem man einfach ein kleines Fass zusätzlichen Treibstoffs in den Kofferraum packen kann, macht der Treibstoff den größten Teil des Gewichts eines Raumfahrzeugs aus.

Wenn Sie sich vor dem Start ein Bild eines Raumfahrzeugs ansehen, werden Sie sehen, dass das meiste davon Treibstoff ist:

Sehen Sie das winzig kleine Trapez in der Nähe der Spitze? Das ist das eigentliche Raumschiff, der Rest ist hauptsächlich Treibstoff. Also bauen wir unsere Rakete einfach 3 mal größer, für den Fall, dass wir umkehren wollen, oder? Falsch! Die riesige Rakete auf dem Bild wurde verwendet, um das winzig kleine Raumschiff an der Spitze zu beschleunigen! Um den ganzen zusätzlichen Treibstoff (der schwerer ist als die ursprüngliche gesamte Rakete) anzuheben, benötigen Sie eine noch größere Rakete. Und um diese noch größere Rakete abzuheben, brauchen Sie eine viel größere Rakete und so weiter ...

Es gibt einen interessanten Artikel auf xkcd , der beschreibt, was Sie brauchen, um eine unserer kleinen Sonden zurückzugeben, die auf dem Weg ist, das Sonnensystem zu verlassen: Es würde eine mindestens 60-mal größere Rakete erfordern als die, mit der wir sie hochgeschickt haben !

Orbitalmechanik ist seltsam. Auf der Erde ist es normalerweise eine gute Lösung, umzukehren und nach Hause zu gehen, wenn etwas schief geht. Dies ist im Weltraum aufgrund einiger seltsamer Macken nicht der Fall.

• Stoppen (im Weltraum) ist WIRKLICH WIRKLICH schwer.
• Die kürzeste Distanz ist CURVED.
• Das Zuhause bewegt sich ständig (sehr, sehr schnell)

Aufhören ist schwer

Beim ersten Punkt fällt es also schwer, aufzuhören. Das liegt daran, dass man im Weltraum keine Bremsen bauen kann. Was bedeutet, dass Sie aufhören müssen, Sie brauchen eine Rakete, die genauso groß ist wie die, mit der Sie ursprünglich in Fahrt gekommen sind.

Wenn Sie jedoch eine wirklich große Rakete schicken müssen, dann brauchen Sie eine noch größere Rakete, um das überhaupt in Gang zu bringen.

Wir nennen dieses Problem die „Tyrannei der Raketengleichung“.

Aus diesem Grund halten wir fast immer auf Planeten an, auf denen wir Bremsen (oder Fallschirme, wie Sie sie nennen) verwenden können.

Die kürzeste Strecke ist gekrümmt

Im Allgemeinen ist die Erde ziemlich flach. Aber wenn Sie von ab laufen müssen und ein Hügel im Weg ist, würden Sie im Allgemeinen um den Hügel herumgehen.

Der Raum ist derselbe. Bei der Orbitalmechanik gibt es in der Mitte einen MASSIVEN Hügel, den wir Sonne nennen.

Das Zuhause bewegt sich ständig

Auf der Zeitskala einer Reise zum Mars wird sich die Erde bewegen. Wenn Sie sich umdrehen und wieder zurückgehen, wird es nicht da sein. Je nach Ausrichtung der Sterne ist es möglich, dass er sich jetzt "auf der anderen Seite" des Mars befindet.

Raumfahrzeuge können keinen weniger effizienten Weg nehmen als ursprünglich beabsichtigt

In der Regel haben Raumfahrzeuge genug Treibstoff, um ihren beabsichtigten Missionspfad und einen gewissen Sicherheitsspielraum zu erreichen, aber nicht mehr. Da der Kraftstoff einen so großen Teil des Gesamtgewichts ausmacht, optimieren Sie die Mission, um den effizientesten geeigneten Weg einzuschlagen, wobei Sie sich häufig auf verschiedene Faktoren verlassen, z.

Wenn Sie auf dem Weg zum Mars sind, ist es außerdem aufgrund der Funktionsweise der Orbitalmechanik der billigste Weg (kraftstoffmäßig, nicht zeitlich), umzukehren, in die Marsumlaufbahn zu gehen und dort Ihre Triebwerke zu verbrennen.

Schon das einfache "Anhalten" (z. B. relativ zur Sonne) auf der Stelle mitten im Nirgendwo erfordert bereits mehr Treibstoff, als man benötigt, um auf Geschwindigkeit zu kommen, da die Mission definitiv geplant war, die Erdumlaufgeschwindigkeit und die Erdrotationsgeschwindigkeit zum Vorteil zu nutzen des ursprünglichen Missionsplans; und das Rückwärtsfahren verbraucht auch mehr Treibstoff als erwartet, da sich die Erde in ihrer Umlaufbahn von Ihnen wegbewegt.

Das bedeutet, dass, wenn Sie genug Treibstoff für eine bestimmte Reise zum Mars und zurück haben, nachdem Sie fast die Hälfte davon verbraucht haben, um die erste Reise zu beginnen, alle wesentlichen Änderungen mehr Treibstoff benötigen – was Sie einfach nicht haben werden.