Raketentriebwerke bieten aufgrund des Oberth-Effekts die effizienteste Geschwindigkeitsänderung pro verbrauchter Brennstoffmasse, wenn sie sich in Periapsis befinden . Aber ist dies ein Effekt eines Raumfahrzeugs, das in einem Gravitationsschacht an Masse verliert (es durch seinen Raketenmotor erschöpft), damit es dann leichter herausfliegen kann, oder ist es allgemeiner? Würde ein Raumschiff ohne Reaktionstriebwerk, beispielsweise eines, das stattdessen ein Sonnensegel oder von der Erde ausgestrahlte Mikrowellen verwendet, immer noch den Oberth-Effekt genießen? Auch wenn seine Masse beim Eintritt in den Gravitationsbrunnen dieselbe war wie beim Verlassen.
Würde ein Raumschiff ohne Reaktionstriebwerk, beispielsweise eines, das stattdessen ein Sonnensegel oder von der Erde ausgestrahlte Mikrowellen verwendet, immer noch den Oberth-Effekt genießen? Auch wenn seine Masse beim Eintritt in den Gravitationsbrunnen dieselbe war wie beim Verlassen.
Mechanistisch gibt es eigentlich keinen Grund, warum diese anderen Antriebsmittel nicht dem Oberth-Effekt unterliegen würden. In den beiden Beispielen, die Sie gegeben haben, wird der Antrieb durch Photonen gegeben. Diese haben einen absurd großen spezifischen Impuls und sind masselos, aber sie folgen ähnlichen Regeln. Wenn die Photonen von einem Spiegel auf dem Raumschiff reflektiert werden, während es einen planetarischen Vorbeiflug macht, könnten diese Photonen in den Weltraum weitergehen, aber bevor sie dies tun, erfahren sie eine leichte Rotverschiebung, weil sie den Gravitationsschacht erklimmen – ähnlich wie bei jedem anderen Treibmittel .
Das ist umständlich, weil die Energieänderung im Vergleich zur Gesamtenergie winzig ist, aber das liegt nur an dem sehr hohen spezifischen Impuls. In praktischer Hinsicht wäre es äußerst schwierig, einen hohen Oberth-Effekt zu erzielen, da Motoren mit niedrigem Schub (und Sonnensegel) sehr wenig ihrer Schubphase im Perigäum verbringen, wo der Oberth-Effekt groß ist.
Eine weitere Alternative könnte die elektromagnetische Beschleunigung sein, wenn ein Raumschiff an einem Planeten vorbeifliegt. In diesem Fall können wir nicht dieselbe Logik verwenden, da die Kraft zwischen einem Körper und einem anderen übertragen wird. Das Argument funktioniert jedoch immer noch aufgrund der höheren Geschwindigkeit des Fahrzeugs im Perigäum. Die Energie, die ein stationärer Beschleuniger vermittelt, ist Impuls mal Geschwindigkeit (aus der Beziehung mechanische Leistung = Kraft x Geschwindigkeit).
Würde ein Raumschiff ohne Reaktionstriebwerk, beispielsweise eines, das stattdessen ein Sonnensegel oder von der Erde ausgestrahlte Mikrowellen verwendet, immer noch den Oberth-Effekt genießen?
Sicher.
Angenommen, Raumschiff A, das von Raketen angetrieben wird, taucht in Richtung Sonne und feuert alle seine Triebwerke gleichzeitig in der Nähe des Perihels ab, um das gewünschte Delta-V zu erhalten. Nehmen wir als nächstes an, Raumschiff B, das von Sonnensegeln angetrieben wird, taucht in Richtung Sonne, erreicht die gleiche Perihelentfernung wie Raumschiff A und dreht seine Segel genau richtig in der Nähe des Perihels, um das gleiche Delta-V wie Raumschiff A zu erhalten.
Beide Raumfahrzeuge unterliegen demselben Oberth-Effekt, da der Oberth-Effekt ausschließlich eine Folge der Geschwindigkeitsänderung und der Geschwindigkeit ist, bei der dieses Delta-V auftritt. Die zugrunde liegende Physik, die zu diesem Delta-V führt, spielt keine Rolle.
Beide Ansätze wurden als Mechanismen zum Verlassen des Sonnensystems bei hohen Fluchtgeschwindigkeiten vorgeschlagen. Die Idee, Sonnensegel zu verwenden, um dem Sonnensystem zu entkommen, stammt aus dem Beginn des Weltraumzeitalters (Tsu 1959). Auf einem kürzlich von der NASA veranstalteten Symposium Innovative Advanced Concepts stellten Nosanov et al. analysiert unter Verwendung von Sonnensegeln (mit einer letzten nahen Annäherung an die Sonne) als Mittel, um dem Sonnensystem zu entkommen, wobei die Heliopause in 12 Jahren oder weniger erreicht wird und vorhandene Materialien verwendet werden. (Beachten Sie, dass die Voyager 35 Jahre brauchte, um dasselbe zu erreichen). Ich habe nur zwei Referenzen eingebaut. Es gibt noch viele, viele mehr.
TC Tsu, "Interplanetare Reise mit dem Sonnensegel", Ars Journal 29.6 (1959): 422-427.
Die Änderung der Apoapsis wird ausschließlich durch die Änderung der angewendeten Geschwindigkeit verursacht - unabhängig davon, ob diese Geschwindigkeitsänderung durch Raketenantrieb oder durch eine der anderen von Ihnen erwähnten Methoden verursacht wird.
(BEARBEITEN: Ich sollte dies hinzufügen - Sie haben auch den Aufstieg des Fahrzeugs aus der Schwerkraft gut erwähnt - seinen Weg entlang der Umlaufbahn. Dieser Weg wird nicht von seiner Masse beeinflusst, sondern nur von seiner Geschwindigkeit. Ähnlich wie die Frequenz eines Pendels hängt nur von der Länge ab des Pendels oder zwei Objekte auf der Erde fallen mit gleicher Geschwindigkeit, sofern keine aerodynamischen Effekte auftreten.)
Der Oberth-Effekt lässt sich so erklären. Jede Sekunde, in der Sie in ein Gravitationsfeld fallen, verändert es Ihre Geschwindigkeit – vielleicht hilft es Ihnen, vielleicht schadet es Ihnen. Wenn Sie Ihre Verbrennung durchführen, während Sie tiefer in der Schwerkraft sind, verlängern Sie entweder die Zeit, in der die Schwerkraft Ihnen hilft, oder verringern die Zeit, in der Sie verletzt werden. Zum Beispiel:
...usw. In jedem Fall erhält das Brennen, während Sie tiefer im Gravitationsbrunnen sind, die Schwerkraft, um Ihre Bemühungen zu verstärken. Sie können also sehen, dass es nicht die Tatsache ist, dass Sie Ihr Schiff leichter machen, damit es für Sie funktioniert (denken Sie daran, dass der Oberth-Effekt auch dazu dient, Ihr Schiff zu verlangsamen), also sollte es für jede Art von Antrieb funktionieren.
Der einfachste Weg, den Oberth-Effekt zu verstehen, besteht darin, sich einfach an Ihr Physik 101 zu erinnern.
Arbeit = Kraft x Weg.
Wenn Sie sich schnell bewegen, legen Sie während des Brennens mehr Strecke zurück und leisten daher mehr Arbeit. Alles, was im Laufe der Zeit eine Kraft ausübt, wird diesen "Effekt" beobachten. Prost!
Je schneller Sie sich bewegen, desto größer ist der Oberth-Effekt. Sie bewegen sich während des Perigäums schnell, daher genießen Geschwindigkeitsänderungen in der Nähe des Perigäums einen Oberth-Vorteil.
Aber Sonnensegel haben eine winzige Beschleunigung. Es kann nur eine kleine Geschwindigkeitsänderung vorgenommen werden, während sich die Segel in der Nähe des Perigäums befinden. Um eine impulsive Verbrennung in einem Perigäum von 300 km Höhe durchzuführen, benötigen Sie eine Beschleunigung, die einen guten Bruchteil von 1 g ausmacht, besser noch - mehrere g.
Wenn die Beschleunigung in der Größenordnung von 1 mm / s ^ 2 liegt, gibt es wenig Oberth-Vorteil, es sei denn, viele kleine Verbrennungen werden über viele Perigäume durchgeführt.
Es ist eine Funktion der Tatsache, dass das Schiff bei Periapsis die höchste Geschwindigkeit hat und der Oberth-Effekt darin besteht, Geschwindigkeit hinzuzufügen, wenn die Geschwindigkeit in einem bestimmten Rahmen bereits hoch ist.
Ich glaube, es gilt auch für mehrstufige Raketen, bei denen die Zunahme der kinetischen Energie der oberen Stufe wesentlich größer sein kann als die chemische Gesamtenergie des Treibmittels dieser Stufe.
Es sollte dann auch für jedes Triebwerk mit kontinuierlichem Schub gelten, egal wie es funktioniert, bei dem die mechanische Leistung linear in V wächst, während die freigesetzte Leistung der Triebwerksstromquelle konstant ist. Energie wird konserviert, da die integrierte mechanische Leistung immer der kinetischen Energie des Schiffs in jedem Rahmen entspricht.
Loren Pechtel