Ist atmosphärisches Skimming für Treibmittel machbar?

Es ist einfach genug, dies in Bezug auf die Erhaltung des Impulses zu analysieren, wir nehmen an, dass die Geschwindigkeit durch die Atmosphäre 7,8 km/s beträgt, das ist die LEO-Orbitalgeschwindigkeit – tatsächlich wird sie aufgrund der Rotation etwas anders sein Erde und Exzentrizität der Atmosphärenbahn, aber nicht unterschiedlich genug, um die Schlussfolgerung zu ändern. Nehmen wir nun an, das Schiff saugt 1 kg Atmosphäre auf; Logischerweise wäre es notwendig, das gesamte 1 kg mit 7,8 km / s nach hinten zu schleudern, um die beim Fangen verlorene Geschwindigkeit wiederzugewinnen, und das würde das Schiff ohne gewonnene Reaktionsmasse zurücklassen. Um tatsächlich Reaktionsmasse zu gewinnen, müsste ein Teil davon ausgeworfen werden eingefangenes Gas hinten mit einer Geschwindigkeit von mehr als 7,8 km/s.

Gemäß der Tabelle der Abgasgeschwindigkeiten beträgt die maximale Abgasgeschwindigkeit eines chemischen Raketentriebwerks etwa 4,4 km / s, was ein ernstes Problem darstellt, da selbst wenn irgendwie der gesamte Sauerstoff und Stickstoff als Oxidationsmittel verwendet werden kann (dies kann nicht, obwohl möglicherweise einige davon die Stickstoffdose) und der Kraftstoff schwerelos ist, ist die Abgasgeschwindigkeit noch viel zu gering, um den verlorenen Schwung wiederzugewinnen.

Diese Analyse würde also darauf hindeuten, dass eine atmosphärische Schaufel für chemische Raketen ein völliger Nichtstarter ist, sie ist so weit von etwas entfernt, das funktionieren würde, dass wir nicht einmal all die anderen Probleme wie Ineffizienz berücksichtigen müssen. Dennoch könnten nukleare oder elektrische Antriebe möglicherweise die erforderlichen Abgasgeschwindigkeiten erreichen, vorausgesetzt, sie können Stickstoff als Reaktionsmasse verwenden.

Was die Gasgiganten betrifft, so wäre mit einer Umlaufgeschwindigkeit von über 15 km/s selbst für Neptun und Uranus die erforderliche schiere Abgasgeschwindigkeit selbst für den Elektroantrieb eine ernsthafte Herausforderung. Nun, wenn die Atmosphäre reiner Wasserstoff wäre, könnte sie gerade noch mit einem bordeigenen Oxidationsmittel funktionieren, weil der Wasserstoff im Vergleich zum Oxidationsmittel so leicht ist - als solches könnte das Auffangen von 1 kg Wasserstoff bei 15 km/s durch den Ausstoß von 5 kg H₂O bei 3 km/s ausgeglichen werden, also gibt es dort einen Spielraum für Geschwindigkeitsgewinne. Leider ist die Atmosphäre kein reiner Wasserstoff und enthält auch etwa 26 Massenprozent Helium, was diese Marge ziemlich eliminiert, es sei denn, Sie haben eine Art magischen Filter. Außerdem würden Sie Oxidationsmittel wie verrückt ausbluten lassen, was es zu einer Übung von zweifelhaftem Nutzen macht.

Es kann zum Laufen gebracht werden, aber es wäre ganz anders als die typische SF-Darstellung.

Wie Blake betont, können Sie nichts aus Masse gewinnen, die sich bereits schneller bewegt als Raketenabgase. Sie müssen das Gas jedoch nicht mit Umlaufgeschwindigkeit sammeln. Im Extremfall könnten Sie bis zum vollständigen Stillstand abbremsen und während der Landung tanken, solange Ihr Kraftstofftank groß genug ist, um eine einzelne Stufe in die Umlaufbahn zu bringen.

Es gibt ernsthafte Pläne, auf dem Mars (~ 5 km / s) mit aktueller Technologie auf diese Weise zu tanken, also ist dort nichts unmöglich.

Die Erde (~10 km/s) ist nah an der praktischen Grenze für eine einzelne Etappe – genug, dass wir noch nie eine gebaut haben, aber es könnte getan werden, wenn es keine besseren Optionen gäbe.

Unter der Annahme, dass das Nachfüllen des Tanks weniger als ein Jahr dauert, sollte es einen Punkt zwischen der Umlaufbahn und dem Boden geben, an dem Sie keinen übermäßigen Luftwiderstand haben, aber auch den Tank nicht entleeren müssen, um in die Umlaufbahn zurückzukehren.

Atomraketen

Die Verwendung chemischer Raketen wird wahrscheinlich nicht funktionieren - ich vermeide lieber Atmosphären, die aus perfekt gemischtem Raketentreibstoff und Oxidationsmittel bestehen -, also beginne ich mit einer nuklearen thermischen Rakete, die eine ähnliche Leistung wie H2 / O2 hat, aber alles verbrennt, was gesprüht werden kann auf heiße Felsen. Das gibt es nicht, scheint aber mit der aktuellen Technologie sinnvoll.

Ich gehe auch davon aus, dass es sich um separate Treibstoffsammelschiffe handelt und nicht um eine kleine Ergänzung zu einem größeren Schiff. Wenn Sie 90% des gesammelten Treibstoffs verbrennen, um in den Orbit zurückzukehren, erhalten Sie nur dann einen vollen Tank, wenn Sie zehn Fahrten machen können.

Der Mars kommt dem einfachen Überfliegen der Atmosphäre am nächsten - die Umlaufgeschwindigkeit ist niedriger als die Abgasgeschwindigkeit, sodass Sie nicht langsamer werden müssen, um bei jedem Durchgang durch die Atmosphäre eine kleine Menge Treibstoff zu gewinnen. Eine vollständige Befüllung des Tanks kann möglich sein.

Die Erde muss auf mindestens 4 km/s unter der Umlaufgeschwindigkeit verlangsamt werden. Sie benötigen eine sehr schnelle Pumpe, da Sie entweder genug Schub erzeugen müssen, um zu schweben, oder die Tanks in den wenigen Minuten füllen müssen, bevor Sie den Boden oder die dichte Atmosphäre erreichen. Bei der Rückkehr in die Umlaufbahn wird mindestens die Hälfte des gesammelten Treibstoffs verbraucht. Mit genügend Treibstoff zu starten, um in den Orbit zurückzukehren, ist nicht wirklich eine Option, daher müssen die Pumpen sowohl sehr zuverlässig als auch schnell sein.

Jupiter muss um 10 km/s verlangsamt werden, also gibt es wirklich keinen Spielraum für Fehler. Jeder Flug in die Atmosphäre verbraucht 99 % des gesammelten Treibstoffs - Sie brauchen Hunderte von Flügen, um den Tank zu füllen, und ein Abbruch in die Umlaufbahn ist nicht einmal eine theoretische Möglichkeit.

Chemische Raketen

Eine chemische Rakete auf diese Weise vollständig zu betanken, wird wahrscheinlich nicht passieren. Wenn Sie alle notwendigen Elemente an einem Ort finden, handelt es sich wahrscheinlich um Wasser. Die Energie, um das zu Raketentreibstoff zu verarbeiten, bedeutet wahrscheinlich einen Kernreaktor, den Sie auch direkter nutzen können.

Es ist sinnvoller, nur das schwerere Oxidationsmittel zu sammeln, lohnt sich aber in den meisten Fällen wahrscheinlich nicht - selbst wenn Jupiter eine reine Sauerstoffatmosphäre hätte, würden Sie 99 Tonnen Wasserstoff verbrauchen, um 8 Tonnen Sauerstoff zu erhalten.

Auf der Erde könnten Sie vielleicht die Nase vorn haben - Ausgehend von 100 Tonnen Wasserstoff könnten Sie 800 Tonnen Sauerstoff sammeln und mit 50 Tonnen Wasserstoff und 400 Tonnen Sauerstoff in die Umlaufbahn zurückkehren.

Technische Herausforderungen

Die Rakete selbst ist relativ einfach - es gibt bereits mehrere geeignete Designs, obwohl nichts geflogen ist.

Um den gesammelten Treibstoff zu speichern, benötigen Sie etwas über die Größe und das Gewicht des externen Tanks des Space Shuttles, was einfach genug ist, aber es muss auch in der Lage sein, den Wiedereintritt zu überleben, möglicherweise hunderte Male, ohne zu viel Masse hinzuzufügen, um zurückzukommen zu umkreisen.

Um eine brauchbare Menge Luft in den Tank zu bekommen, müssen Sie sie wahrscheinlich verflüssigen. Ein Hochdrucktank kann auch funktionieren, ist aber wahrscheinlich schwerer. Beide Optionen erzeugen viel Wärme. Das ist normalerweise kein Problem, aber Sie versuchen dies zu tun, während Sie mit Mach 10 fliegen, das sowohl an einem Kernreaktor als auch an einem Raketentriebwerk angebracht ist.

Würde es sich jemals lohnen, es zu tun?

Auf der Erde kann es passieren, wenn bereits für etwas anderes ausreichend zuverlässige Technik eingesetzt wurde, aber ansonsten gibt es bessere Möglichkeiten. Die Verwendung einer bodengestützten ersten Stufe im Falcon-Stil bringt Ihnen die meisten Vorteile ohne das Risiko.

Ein erdähnlicher Planet ohne Infrastruktur könnte sinnvoll sein, aber Sie sind wahrscheinlich besser dran, zu landen - verwenden Sie eine Rakete, die die Umlaufbahn leer erreichen kann, oder dienen Sie als erste Stufe für eine große Ladung Treibstoff.

Venus lässt es tatsächlich wie eine anständige Option aussehen – die Treibstoffproduktion in der Luft ist genauso gefährlich wie anderswo, aber die Umgebung an der Oberfläche ist noch unangenehmer.

Jupiter braucht entweder viele Flüge oder viele Schiffe. Wenn Sie über eine ausreichende lokale Infrastruktur verfügen, um hundert Schiffe zu unterstützen, können Sie genauso gut einen Weltraumaufzug oder so etwas bauen. Ohne das ist der Eintritt in die Atmosphäre eines Gasriesen dem wirklich verrückten Raumschiffkapitän vorbehalten, der irgendwie alle Monde und das Ringsystem voller leicht zugänglichem Wassereis übersehen hat.

Die ESA untersucht derzeit (2018) ein recht ähnliches Projekt . Kurz gesagt, es verwendet keinen Sauerstoff, sondern irgendein Gas in der oberen Atmosphäre, um ein Ionentriebwerk zu speisen, anstatt mit einem Gastank zu fliegen, um dieses Triebwerk zu speisen.

Wie andere angemerkt haben, muss die Abgasgeschwindigkeit höher sein als die Umlaufgeschwindigkeit. Einige ungefähre Geschwindigkeiten für niedrige, kreisförmige Umlaufbahnen um verschiedene Körper:

Venus 7,2 km/s
Erde 7,8 km/s
Mars 3,5 km/s
Jupiter 42 km/s
Saturn 25 km/s
Uranus 15 km/s
Neptun 17 km/s

Die Abgasgeschwindigkeit von Lox/Wasserstoff von 4,4 km/s ist ungefähr so ​​hoch wie bei chemischen Treibmitteln. Ich verstehe, dass 30 km / s mit Ionen machbar sind. Aber es ist schwer vorstellbar, dass Ionentriebwerke genügend Schub liefern, um eine Umlaufbahn aufrechtzuerhalten, die durch die obere Atmosphäre eines Körpers verläuft.

Jedoch

Einer meiner liebsten Science-Fiction-Tagträume waren vertikale Aufzüge, die in Phobos verankert waren. Relevant für diese Frage ist mein Blick auf einen niedrigeren Phobos-Tether .

Der Fuß eines 5800 Kilometer langen Halteseils, das von Phobos absteigt, würde während der Periapsis von Phobos durch die obere Atmosphäre des Mars gleiten. Die Fußgeschwindigkeit des Halteseils relativ zur umgebenden Atmosphäre würde etwa 0,6 km/s betragen. Etwa Mach 2. Die Concorde würde das routinemäßig durch eine viel dickere Atmosphäre tun.

Ein Halteseilfuß, der durch die obere Marsatmosphäre geht, könnte CO2 und Argon ernten. Die Ernte kann auch Turbinen antreiben und Strom liefern. Ja, das würde von Phobos' Schwung abziehen. Aber mit 1,1 e16 Kilogramm ist Phobos eine Impulsbank, auf die wir Jahrtausende lang mit geringer Wirkung zurückgreifen könnten.

Zum jetzigen Zeitpunkt halte ich ein solches Halteband nicht für plausibel, wenn vorhandene Materialien wie Xylon verwendet werden. Aber angesichts von Bucky-Röhren könnten die Vorteile eines solchen Haltebands die Kosten überwiegen.

Ja, das ist etwas weit hergeholte Science-Fiction. Aber wenn wir über das Überfliegen der Atmosphäre von Eisriesen sprechen, befinden wir uns bereits im Bereich des höchst unwahrscheinlichen. Ein Phobos Tether Foot Skimmer ist das plausibelste Skimming-Schema, das ich mir vorstellen kann.

Um 1 kg Gas an Bord zu bringen, sind viele kg Abgas bei niedriger als der Orbitalgeschwindigkeit erforderlich.

Der Schlüssel dazu besteht darin, dass das Schiff die Atmosphäre verbrennt, während es vorbeifährt, anstatt es zuerst relativ zum Schiff zur Ruhe zu bringen, was eine Beschleunigung in die falsche Richtung erfordert.

Verwenden Sie stattdessen einen Scramjet-Ansatz:

Verbrenne so viel wie nötig und ziehe eine kleine Menge ab, um sie aufzubewahren.

Kann ein solcher Motor mit ausreichend hoher Drehzahl arbeiten? Der größte Teil der Literatur ist in Mach-Einheiten, nicht in km/s (und Gasheizungseffekte, die die Schallgeschwindigkeit ändern, machen alles etwas verwirrend), aber es scheint Vertrauen in Mach 10 zu geben (von etwa 25 erforderlich). Spekulationen über 17 und einige ungefähre Argumente, dass Schub/Gewicht 25 unwahrscheinlich machen. Aber die Ideen werden mit der Zeit immer besser....

Und wenn Sie bereit sind, eine Stufe wegzuwerfen, könnten Sie zuerst ein Scramjet und dann eine Rakete zurück in den Orbit bringen.