Harpunenantrieb – was wären die Probleme?

Stellen wir uns vor, wir hätten endlich ein Buckytube-Seil entwickelt. Ein paar hundert Kilometer Seil, das in der Lage ist, ein 100-Tonnen-Fahrzeug mit einer Beschleunigung von 6 g zu ziehen, in einem Paket, das auf dem Fahrzeug verstaut werden kann.

Ein erdnaher Asteroid fliegt vorbei. Ein Fahrzeug wird auf einer nahe gelegenen Vorbeiflugbahn gestartet. Wenn sich der Flyby-Punkt nähert, startet das Fahrzeug eine "Rakete" - entweder eine Impaktor-Rakete mit einem Haken im Harpunenstil oder eine Art Netz oder eine, die eine Schleife bilden könnte ... mit dem Seil nachlaufend. Es fängt den Asteroiden ein.

Das Fahrzeug rollt das Seil von einer Spule ab, während es die Spulendrehung stark bremst, so dass die Beschleunigung des durch das Seil gezogenen Fahrzeugs für die Besatzung/Nutzlast überlebbar ist und nichts kaputt geht. Dies geschieht, bis die Spule stoppt oder das gesamte Seil abrollt (in diesem Fall darf es mit dem Asteroiden losfliegen und sich vom Fahrzeug lösen).

Nachdem die Spule zum Stillstand gekommen ist, ist das Fahrzeug am Asteroiden verankert, nachdem es im Wesentlichen frei einige km/s zurückgelegt hat.

Welche Hindernisse (abgesehen von der Erfindung eines Buckytube-Seils) könnten hinter einer solchen Antriebsmethode stehen? Wäre die Wärmeableitung der Bremse beherrschbar? (z. B. eine Art Ablator / Sublimator, das ist eine einmalige Angelegenheit). Wäre so ein Antrieb sinnvoll?

Das größte Problem bei einem solchen System, vorausgesetzt, die Technik ist solide, wäre wahrscheinlich das Timing und das Finden von Orten, an die man gehen kann. Um per Anhalter mitfahren zu können, müssen Sie den Asteroiden lokalisieren, abfangen und einfangen. Dann muss der Asteroid auch dorthin fliegen, wohin Sie wollen, da es kontraproduktiv wäre, in einer schrägen Umlaufbahn zu landen. Es kann große Mengen an Treibstoff erfordern, um Geschwindigkeiten abzufangen und an überlebensfähige Geschwindigkeiten anzupassen, bei denen es sich nicht lohnt
@Dragongeek: nicht unbedingt - Sie können den Asteroiden "loslassen", bevor Sie die Geschwindigkeit zu 100% erreichen - behandeln Sie dies wie eine Gravitationsunterstützung, außer dass Sie die starke Leine anstelle der schwachen Schwerkraft des Asteroiden verwenden.

Antworten (3)

Nehmen wir an, der Komet zieht mit 10 km/s vorbei und Ihre Fahrzeuggeschwindigkeit ist 0. Dann muss Ihr Antriebssystem ein Delta-V von 10 km/s liefern. Sie können dies entweder durch Verbrennen von Raketentreibstoff oder durch Ihr Harpunen-/Winden-/Bremssystem tun. Die Menge an kinetischer Energie, die Sie erzeugen/abführen müssen, ist in beiden Fällen gleich.

Erster Schritt: Schätzung

Ein 100-Tonnen-Flugzeug benötigt ungefähr 2000 Tonnen Raketentreibstoff, um auf 10 km/s zu beschleunigen (ungefähr die Leistung eines Saturn V).

Wenn wir uns auf die Temperaturen beschränken, die in chemischen Raketen gefunden werden, vermute ich, dass Ihre Windenbremse genug Energie abgeben muss, um 2000 Tonnen Wasser zu verdampfen.

Wenn Sie höhere Temperaturen verwenden können, wird das System masseneffizienter, aber Sie müssten einen Zwischenschritt hinzufügen: die Bremsenergie in Elektrizität umwandeln und damit einen Ionenmotor oder eine thermische Rakete antreiben.

Zweiter Schritt: Rechnen

Die kinetische Energie von 100 Tonnen bei einer Geschwindigkeit von 10 km/s beträgt 1 / 2 ∗ m ∗ v 2 ist 5 ∗ 10 12 J ist 1.38 ∗ 10 9 Wh. Das ist die Energiemenge, die Sie aufwenden müssen, um auf 10 km/s zu beschleunigen, also die Energiemenge, die Ihre Bremse abbauen muss.
Bei 6 G, das 1.38 ∗ 10 9 Wh wird in 166 (10.000 / 60) Sekunden erzeugt, für durchschnittlich 30 GW. Auf der Erde erfordert diese Art der Verlustleistung einen Fluss und Dutzende riesiger Kühltürme.

Wasser benötigt 2,2 MJ/kg zum Verdampfen, also war meine Schätzung von 2000 Tonnen auf 10 % genau.

Beim Start sind wir durch die Verbrennungswärme des Kraftstoffs begrenzt - seine chemische Energiedichte. Beim Bremsen nur mit struktureller / thermischer Haltbarkeit bei Hitze - wir können jede Methode der Wärmeableitung verwenden, und ich glaube, viele sollten einiges effizienter sein als Raketentriebwerke. Wenn wir die Hitze irgendwie in die Erzeugung von 50.000K-Plasma leiten können, ohne das Schiff zu beschädigen, ist alles in Ordnung.
@SF. Die Wärmeableitung ist derzeit das schwierigste Problem auf einem Raumschiff. Bei chemischen Raketen ist die Wärmeableitung als Sublimator in die Rakete eingebaut. Ihr Kommentar zu den 50000K-Plasmahandwellen entfernt die Thermodynamik.
@Aron: Nicht Thermodynamik, sondern Technik. Das Gerät müsste fast vollständig aus Magnetfeldern bestehen, um nicht zu verdampfen. Die Energie könnte durch "kalte" Mittel wie Elektrizität in Supraleitern oder kinetische Energie (z. B. Rotation) übertragen werden, aber früher oder später müsste sie dissipiert werden, und dann beginnen ernsthafte Probleme.
@SF. Ja Thermodynamik. Es heißt der 2. Hauptsatz der Thermodynamik. Im Grunde kann heißes nur mit noch heißerem Zeug (oder Arbeit) heißer gemacht werden. Aber wenn Sie Arbeit haben, ist es effizienter, Ihren Kraftstoff mit Arbeit anzutreiben als mit Wärmeausdehnung.
@Aron: Welcher Kraftstoff? Wir haben kein Ersatztreibmittel zum Ausstoßen. Die ganze Idee ist ein Antrieb, der keine Reaktionsmasse benötigt. Das 50000K-Plasma ist ein Nebenprodukt, das wir sicher entsorgen wollen! (und wir haben eine Menge Arbeit: Bremskraft von was auch immer bremst, bewegt sich gegen das Band.)
@SF. Was ist dieses Plasma, von dem Sie damals gesprochen haben?
@Aron: Einige ablative Materialien konnten sich bisher überhitzen, indem sie die durch den Bremsvorgang erzeugte Energie entsorgten. In erster Linie jedoch ein Denkgerät, um die Asymmetrie zwischen chemischem Antrieb und nicht atmosphärischem ablativem Bremsen aufzuzeigen. Eine Art Sublimator, der sehr, sehr heiß laufen durfte.
Wenn Sie ein Plasma mit 50000 K zur Dissipation sicher erzeugen können, können Sie auch einen Motor erstellen, der mit 50000 K läuft. Da beides nicht im Bereich des derzeit Möglichen liegt, würden wir zwei Geräte vergleichen, die nicht existieren und keine theoretische Grundlage haben. IOW, wir haben keine Möglichkeit, die Gültigkeit Ihrer Prämisse zu überprüfen.
@Hobbes: Neben der Konstruktion des 50000K-Motors stünden Sie vor dem Problem, genügend Energie zu erzeugen, um sinnvolle Mengen des 50000K-Plasmas (eine unglaublich starke Energiequelle mit extremer Leistungsdichte) herzustellen und dann die Ausgabe auf nützliche Weise zu formen (treibend). Hier haben wir die Energie, und wir müssen nur die Leistung loswerden (sicher; nicht treibend). In Bezug auf die Schwierigkeit besteht der Unterschied darin, eine Tonne Treibmittel zu nehmen und daraus eine flugfähige Rakete zu bauen, oder eine Tonne Treibmittel auf eine Weise auf dem Boden zu verbrennen, die niemanden tötet.

Anstatt nur eine Harpune mit einem einzigen Draht zu haben, die all die enormen Belastungen aushalten muss, könnte man vielleicht ein ganzes Spinnennetz aus Fäden verwenden. Jeder von ihnen schnappt während des schnellen Vorbeiflugs über einen bestimmten Zeitraum in einer Reihe relativ moderater Bremsklötze ein.

Ein sehr naher Vorbeiflug würde die erforderliche Kabellänge verringern. Ein großes Problem ist die Befestigung der Harpunen in der Oberfläche des Kometen. Aber Verankerungspunkte oder Netze könnten vorab von sanften Landern platziert werden, die leichter und langsamer sind und gestartet werden, um den Kometen zu treffen, wenn er besser zugänglich ist, als wenn das Raumschiff, das diese Installation später zur Ablenkung und Beschleunigung nutzt, auf seinem Weg zum Ziel X vorbeikommt.

Vielleicht könnte ein vorab platziertes, weich gelandetes Objekt seine Umgebung auf dem Kometen schmelzen und Gase in einem langen Strom in Richtung der Flugbahn des vorbeifliegenden Raumfahrzeugs blasen, wodurch es bei Annäherung aerobremst.

Ich stellte mir einen Körper in der Form von Chury vor, zwei Raketen, die eine Seilgabel zogen, sie um den "Hals" fingen und sich dann mehrere Male um sie (und umeinander) drehten. Ich frage mich, wie realisierbar das ist - bei scharfen Steinen kann Epoxidschaum Wunder bewirken.
Kometen scheinen wie faule Nüsse zu sein. Harte Schalen, aber innen nur Brei. Ein Lasso könnte den Kometen enthaupten. Ich denke (oder vermute), dass ein Kaugummi-ähnliches Konzept die strukturelle Belastung von Raumfahrzeugen und Kometen besser über Raum und Zeit verteilen würde. Aber die Objekte da draußen sind individuell, einige sind wahrscheinlich aus massivem Metall.
Churys Halsdurchmesser beträgt etwa 2 km. 100 Tonnen * 6g - 600 Tonnen verteilt auf 3,14 km Fläche der "tragenden" Hälfte des Halsumfangs - etwa 200kg pro Meter Länge und ich stelle mir das "Seil" auf jeden Fall eher wie ein Band vor (sagen wir 50cm breit ), keine Schnur, also 400 kg pro m ^ 2 auf einer 2 km dicken Welle - ich bezweifle ernsthaft, dass eine Enthauptung von Chury möglich wäre.
@SF Ich kann die Größe der hier beteiligten Kräfte nicht abschätzen. Aber bei 400 kg pro m², ungefähr so ​​viel wie die Ladung eines Schiffscontainers, für den gehärteter Boden ausgelegt ist, befürchte ich, dass die dünne harte Kruste eines Kometen aufbrechen und die sofort sublimierenden flüchtigen Stoffe unter der Oberfläche in einem explosiven Ring freisetzen könnte um den "Hals" des Lassos. Und den fast gravitationslosen losen Schutt und Staub darin zu einem Kometenbeben verdrängen. Vielleicht würden einige Kometen, andere nicht. Ich vermute, sie sind Individuen mit Geschichten aller Art.

Es gibt eine Alternative, die das Problem der Wärmeableitung vollständig beseitigt. Obwohl es einige Probleme für sich hat. Dies geschieht durch Entfernen des Bremsmechanismus und der Spule. Das Seil beginnt vollständig entfaltet und senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor des Ziels. Wenn nun die Harpune verankert wird, definiert das Seil den Radius eines Kreises, wobei die gesamte Geschwindigkeit tangential ist. Die erfahrene Beschleunigung kann auf die gleiche Weise wie bei der künstlichen Spingravitation berechnet werden. Jetzt "umkreist" das Fahrzeug das Ziel.

Vorteile

  • Wenn es wartet, bis es sich um eine halbe Umdrehung gedreht hat, und dann loslässt, bewegt es sich vor dem Ziel mit der gleichen Geschwindigkeit fort, mit der sich das Ziel ursprünglich vor ihm bewegt hat. Doppeltes Delta V, das mit der Bremsmethode möglich ist. Dies ist analog zu einer Gravitationsschleuder.

  • Die Energie wird in der Rotation des gesamten Systems gespeichert. Wenn das Ziel das Ziel ist, muss die Energie immer noch abgeführt werden, aber es besteht kein Problem, dass das Ziel davonkommt, sodass die Ableitung langsam sein kann. Die einfachste Energiesenke besteht wahrscheinlich darin, Rotationsenergie in das Ziel zu leiten.

  • Die Freigabe kann zeitlich so eingestellt werden, dass eine Komponente der Geschwindigkeit nicht mit der Flugbahn des Ziels übereinstimmt, was das System vielseitiger macht.

Nachteile

  • Bei einer festen anfänglichen Geschwindigkeitsdifferenz und Beschleunigung ist die erforderliche Seillänge zum Abbremsen bis zum vollständigen Stopp halb so lang wie die zum Schwingen um das Ziel benötigte.

  • Der Anker muss wahrscheinlich komplizierter sein, da das Seil um den Anker schwenken muss, anstatt nur daran zu ziehen. Dies gilt insbesondere in dem Fall, in dem das Endziel darin besteht, am Ziel anzuhalten. In diesem Fall muss der Anker so eingerichtet werden, dass er eine kontinuierliche Drehung ermöglicht.

  • Das Bremssystem kann für einen vollständigen Stopp zu kurz sein und dennoch ein gewisses Delta V liefern, während das Schwenksystem überhaupt nicht funktionieren kann, wenn das Seil nicht lang genug ist.

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