Ist die Darstellung von Szenen von Sub-FTL-Weltraumreisen mit brennenden Triebwerken korrekt?

Ich habe viele Science-Fiction-Szenen gesehen, in denen ein Schiff auf einer Reise ins All unterwegs ist. Wenn das Schiff den Aussichtspunkt passiert, können wir Motoren sehen, die bei Geschwindigkeiten unterhalb von FTL brennen (zuletzt The Expanse).

Warum sollten Motoren brennen, sobald die Zielgeschwindigkeit erreicht ist?

Gibt es einen Widerstand im Vakuum des Weltraums, der die Geschwindigkeit verlangsamen würde, oder wird impliziert, dass das Schiff einer konstanten Beschleunigung ausgesetzt ist? Würde die Flugbahn nicht mit der gleichen Geschwindigkeit und Richtung fortgesetzt, ohne dass eine Motorunterstützung erforderlich wäre?

Während die Leute hier antworten können, sollten Sie dies vielleicht in Physics.SE fragen
Möchten Sie Gründe wissen, warum dies der Fall sein könnte (mir fallen ein paar ein) oder einfach nur versichern, dass Sie Recht haben, dass dies nicht so sein muss? Die Sache ist, dass Sie leicht Gründe für das Verbrennen von Motoren finden können, und Sie fragen im Allgemeinen nach Fiktion - Sie können ohne ein konkretes Beispiel nicht sagen, dass dies falsch ist.
@Raditz_35 da er die TV-Show The Expanse erwähnt , geht es eher darum, was Drehbuchautoren tun, als um tatsächliche Wissenschaft.
@RonJohn Dies wäre besser für Filme oder Scififa Se geeignet, als wenn es speziell um eine Show geht. Aber momentan verstehe ich es nicht, dass er ausschließlich nach der Weite fragt
@ Raditz_35 guter Punkt, um OT zu sein.
Denken Sie an Newtons erstes Gesetz: Ein sich bewegendes Objekt bleibt in Bewegung, bis eine andere Kraft auf es einwirkt. Ja, es gibt Staub im Universum, der Luftwiderstand verursachen würde, aber er ist winzig und irrelevant (wenn dunkle Materie existiert, kann er etwas mehr als winzig sein, aber immer noch ziemlich irrelevant). Natürlich haben Sie alles, von Nebel bis hin zu Asteroidenfeldern, die Luftwiderstand verursachen können. Aber im Weltraum so ziemlich nichts. Entsaften Sie es und fahren Sie (fast) für immer.
Kraft gleich Masse mal Beschleunigung, also muss Ihr Motor Kraftstoff verbrennen, um an Geschwindigkeit (Beschleunigung) zu gewinnen. Ihre Masse würde abnehmen, weil Sie Kraftstoff in Wärme und andere Dinge umwandeln. Ihre Geschwindigkeit ist konstant, es sei denn, Sie wirken auf äußere Kräfte wie die Anziehungskraft eines massiven Objekts wie Todesstern usw. ein.
Siehe Deep Space 1 für ein echtes Beispiel. Der Motor feuerte 670 Tage lang.
@nzaman Wirklich, das könnte hier in Physik, Weltraumforschung (weil es ein häufiges Thema für den Aufbau einer Welt ist) oder vielleicht sogar SciFi gehen. Jeder dieser Orte könnte es beantworten und davon profitieren, wenn es dort gesehen wird, also denke ich nicht, dass es ein Problem ist, es bleiben zu lassen.
Insbesondere in Anbetracht der The Expanse sollte man bedenken, dass die Rocinante nicht nur ein Militärschiff ist, sondern eine Klasse von Schiffen, für die ein hohes Delta-V ein Designziel ist. In den Büchern sehen oder hören wir von einigen Schiffen, die die meisten ihrer Reisen auf freien Fallbahnen machen.

Antworten (5)

Bis Sie relativistische Geschwindigkeiten erreichen, wird die Menge, die Sie verbrennen, nur durch den Kraftstoff eingeschränkt. The Expanse ist ein gutes Beispiel. Sie haben superhohe Isp-Motoren von Hand geschwenkt. Da es keinen zwingenden Grund gibt, Kraftstoff zu sparen, ist der schnellste Weg, um von einem Ort zum anderen zu gelangen, bis zur Hälfte zu beschleunigen (mehr oder weniger) und dann umzudrehen, um den ganzen Weg zum Ziel zu verzögern. Wenn es notwendig ist, Kraftstoff zu sparen, teilen Sie ihn in verschiedene Verbrennungen auf und fahren Sie dazwischen. In The Expanse ist es praktisch, weil sie mit 1 g Beschleunigung fahren und die Motoren für künstliche Schwerkraft nutzen können. Nur beim Flipmanöver oder beim Andocken müssen sie mit null g fertig werden.

Wenn Sie sich für relativistische Geschwindigkeiten interessieren, möchten Sie wahrscheinlich nicht über 0,7 oder 0,8c hinaus brennen. Sehen Sie sich dieses coole Diagramm an . Ungefähr an diesem Punkt beginnt mehr Beschleunigung, den Zeitdilatationseffekt zu verstärken, und Sie verlieren, tatsächlich schneller irgendwohin zu kommen. Sie können weiter brennen, wenn es auf die Geschwindigkeit ankommt, aber Ihre Verluste in Bezug auf den Kraftstoffverbrauch werden Sie bei lebendigem Leib auffressen. Ein langes Brennen und Ausrollen bei niedrigen relativistischen Geschwindigkeiten wäre also der richtige Weg, wenn Sie Science-Fiction in der fernen Zukunft machen.

In der Expanse-Buchreihe ist die Aufrechterhaltung der künstlichen Schwerkraft einer der Hauptgründe, warum die Schiffe unter Dauerbrand stehen: Es geht nicht nur darum, schnell ans Ziel zu kommen. Tatsächlich gibt es mehr als einen Fall, in dem sie ihre Schiffe in einem großen alten Kreis herumfliegen lassen, nur um die Schwerkraft aufrechtzuerhalten.
Dies ist eine großartige Antwort.
Der Kraftstoffverbrauch würde Sie nur dann lebendig auffressen, wenn Sie sich darum kümmern würden, die Geschwindigkeit im galaktischen Referenzrahmen tatsächlich zu erhöhen. Wenn Sie beschleunigen, um 1 g im lokalen Referenzrahmen beizubehalten, kann es sinnvoll sein, die Motoren eingeschaltet zu lassen, selbst wenn dies nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Geschwindigkeit Ihres galaktischen Referenzrahmens hat.
@RM Das ist ein guter Punkt! Ich dachte nicht über ein Rennen zum McGuffin hinaus.
Beachten Sie, dass die relativistische Zeitdilatation nur für externe Beobachter gilt. Für die Leute auf dem Schiff wird es so aussehen, als wären sie schneller dort.
"Wie viel Sie verbrennen, wird nur durch den Kraftstoff eingeschränkt." Tatsächlich ist die Reaktionsmasse für Raketen eher eine Einschränkung als der Treibstoff.
"Ungefähr an diesem Punkt beginnt mehr Beschleunigung, den Zeitdilatationseffekt zu verstärken, und Sie verlieren den Anschluss daran, tatsächlich schneller irgendwohin zu kommen." Ich bin mir nicht sicher, ob das stimmt: Zum einen kommt es auf die Geschwindigkeit an; zum anderen, selbst wenn du Zeitdilatation erlebst, bedeutet das nur, dass es dir so vorkommt, als würde die Reise weniger Zeit in Anspruch nehmen. Es bremst dich nicht wirklich aus.
Auf der anderen Seite möchten Sie eine gute Zeitdilatation für lange Weltraumflüge, da dies die anderen Verbrauchsmaterialien einschränkt.
@jamesqf: nicht nur schneller, sondern aus deiner eigenen Perspektive auch weniger Kraftstoff verbrauchend.
@MParm Sie sollten ein wenig zum Thema Luftwiderstand hinzufügen, dies ist der einzige Teil der ursprünglichen Frage, den Sie verpasst haben.
@Akkumulation Die Reaktionsmasse ist der Brennstoff ...
@immibis Der Kraftstoff wird als Reaktionsmasse verwendet, aber es gibt einen Unterschied. Die Verwendung eines Kraftstoffs mit der 100-fachen Energiedichte würde bedeuten, dass Sie den 100-fachen Kraftstoff, aber die gleiche Reaktionsmasse haben.

Kontinuierlich hohe ISP-Kleinmotoren sind eine großartige Art zu reisen.

Wenn Ihre Motoren mehr Leistung haben, als Sie benötigen, um Ihr Ziel in der gewünschten Zeit zu erreichen, und die Reaktion des ISP auf die Leistungsrate flach ist, ist ein kurzes starkes Brennen, gefolgt von einem Ausrollen, etwas sparsamer als ein langes schwaches Brennen.

Wenn andererseits der Motorwirkungsgrad sinkt, wenn seine Leistung um einen angemessenen Rand steigt, bleibt ein langes, langsames Brennen effizienter als ein schnelles, kurzes Brennen.

Aktuelle Weltraumraketen brennen schnell und kurz, weil unsere Technologie uns nicht wirklich gute Optionen für langsames, effizientes Brennen bietet. Dies beginnt sich mit unserer Ionen-Motoren-Technologie zu ändern.

Ein Fahrzeug mit hocheffizienten Niedrigleistungsmotoren und Niedrigeffizienz-Hochleistungsmotoren würde die Niedrigleistungsmotoren kontinuierlich verbrennen wollen, um schnell irgendwohin zu gelangen.

Ein Fahrzeug, dessen Motoren mehr als 1 g Schub haben, wird eher kontinuierlich brennen wollen als stärker zu brennen, nur um den Komfort der Passagiere zu gewährleisten.

Die Distanz, die du zurücklegst, ist das Integral deiner Geschwindigkeit. Lange Burns sind Steigungen, schnelle Burns sind steilere Hänge und Ausrollen ist eine Linie. Basierend auf der Kurve von Brenngeschwindigkeit zu Effizienz können Sie ausrechnen, wie schnell oder langsam Sie für ein bestimmtes Distanzprofil brennen möchten.

Theoretisch spielen auch Umlaufbahnen und die Bewegung Ihres Ziels eine Rolle; Bei Orbits möchten Sie oft Ihren gesamten Schub in ein kurzes Fenster stecken, das auf der Orbitalgeometrie basiert (Apogäum, Perigäum oder die Knoten einer Hohmann-Transferbahn).

Es gibt also viele Gründe für kurze Verbrennungen und viele Gründe für lange Verbrennungen.

+1 für die Erwähnung von Ionenmotoren aus dem wirklichen Leben.
"Aktuelle Weltraumraketen brennen schnell und kurz, weil unsere Technologie uns nicht wirklich gute Optionen für langsame, effiziente Verbrennung bietet." Das stimmt nicht wirklich - stärkere Raketen sind viel effizienter, wenn Sie sich Sorgen machen, in die Umlaufbahn zu gelangen, also gibt es einfach einen großen Anreiz, zuerst solche Raketen zu entwickeln.
"Ein kurzes starkes Brennen, gefolgt von einem Ausrollen, ist etwas sparsamer als ein langes, schwaches Brennen." Viel effizienter, wenn sich ein riesiger Planet in der Nähe befindet . Siehe Oberth-Effekt.

Es ist nicht genau, wie Sie bereits vermuten.

Diese großen Brenner auf der Rückseite deuten stark darauf hin, dass die Schiffe fliegen, indem sie die Reaktionsmasse nach hinten ausstoßen, um einen Schub nach vorne zu erhalten. Selbst wenn Sie die Zukunftstechnologie im Auge behalten, bleiben Sie in der Tyrannei der Raketengleichung stecken. Wenn Sie höhere Geschwindigkeiten anstreben, benötigen Sie grundsätzlich immer mehr Reaktionsmasse zum Beschleunigen und Abbremsen, wodurch Ihr Schiff schwerer wird, sodass Sie größere Motoren und mehr Kraftstoff benötigen, bis Ihr Schiff ein riesiger Kraftstofftank mit festgeschnalltem Motor und Kabine ist dazu.

Angesichts dessen macht es einfach keinen Sinn, schneller zu fahren und länger zu brennen, als Sie unbedingt brauchen. Ein Militärschiff auf einer Kurzstrecken-Abfangmission würde dies wahrscheinlich tun, aber wenn es 30 Tage lang ununterbrochen im Weltraum brannte, würde es auch 30 Tage dauern, um dieses Brennen rückgängig zu machen, wenn sich die Situation ändert, also je schneller es ging, desto mehr es würde in einen Kurs eingeschlossen werden.

Rückwärts fliegen

Angenommen, die Zukunftstechnologie hat irgendwie einen Weg gefunden, wie Schiffe unbegrenzt Treibstoff / Reaktionsmasse haben / bekommen (vielleicht aus einer alternativen Dimension während des Fluges absaugen?), Sie würden die Dinge immer noch ganz anders machen als in den Filmen dargestellt.

Jedes Schiff, das sich einem Planeten oder einem anderen nicht beschleunigenden Objekt nähert, würde zunächst normal fliegen (und brennen), aber dann auf halbem Weg umkehren, die Motoren nach vorne richten und langsamer werden. Für ein beschleunigendes Ziel wie ein anderes Schiff wäre das Ziel, die Geschwindigkeiten anzupassen oder im Kampf zumindest genug zu verlangsamen, um länger als 1-2 Sekunden in Reichweite des Ziels zu sein. Das bedeutet, dass Sie nach hinten brennen, nach links, rechts, oben, unten, im Grunde in jede Richtung außer nach vorne, bis Sie hinter ihnen sind.

Der Einbau mehrerer Motorensätze in die verschiedenen Richtungen würde das Schiff nur schwerer und langsamer machen, sodass es immer Hauptmotoren in einer Richtung gibt, mit kleinen Extras für schnelle und unvorhersehbare Bewegungen.

Filme wären scheiße

Natürlich sind Orbitalmanöver und die Besonderheiten der Weltraumnavigation dem durchschnittlichen Filmzuschauer so fremd, dass der Unterhaltungswert den Realismus außer Kraft setzt, selbst wenn die Macher wissen, wie es aussehen sollte. Das Gefühl, auf das Filme abzielen, sind oft Kampfflugzeuge aus dem 2. Weltkrieg. Bomber und Schlachtschiffe. Diese sind vertraut, es gibt viel Action und es ist in Sichtweite, also sehen und bewegen sich Filmraumschiffe so.

Sie brauchen nicht unbegrenzt Kraftstoff, der zusätzliche Kraftstoff muss nur billiger sein, als der Nutzen aus brennenden Motoren demjenigen wert ist, der dafür bezahlt. Klingt vielleicht nach Spitzfindigkeit, ändert aber den Charakter von „sehr unvernünftig“ zu „situativ zutreffend“.
Es sind nicht so sehr die Kosten für den Kraftstoff (eigentlich Reaktionsmasse), sondern die zusätzliche Masse, die Sie zum Beschleunigen und Abbremsen benötigen, was wiederum mehr Kraftstoff kostet usw. Es sei denn, es geht natürlich um reaktionslosen Schub, dann brauchen Sie das nicht Diese großen Brenner hinten sowieso.
Ihre Bearbeitung beschreibt im Wesentlichen, wie dies in The Expanse funktioniert.
Ja, ich liebe diese Serie, und sie kommen dort dem Realismus viel näher, obwohl die Kämpfe dank Stealth und Überraschung jedes Mal bequem auf kurze Distanz kommen. Der erste große Kampf wird im Grunde genommen als beendet angesehen, nachdem sie ein paar Torpedos auf große Entfernung abgefeuert haben, aber dann passieren die Spoiler ...
Sie müssen keine Reaktionsmasse aus einer anderen Dimension saugen: Es schwebt Wasserstoff herum. Siehe Bussard-Staustrahltriebwerk.
Ich erinnere mich aus einem anderen Beitrag hier, dass gezeigt wurde, dass sie keinen Nettonutzen bringen.

Während der Fahrt über lange Strecken wirkt sich die gesamte Energie, die den Motoren zugeführt wird, gleichermaßen auf die scheinbare Reisezeit aus.

Ein kleiner Schub über eine lange Zeit statt eines großen Schiebens und Ausrollens für eine lange Zeit ist ein vernünftiger technischer Kompromiss, tatsächlich sind unsere derzeit sparsamsten Motoren gut darin, über eine lange Zeit ein wenig Schub zu liefern. Wenn Sie die (unvernünftige) Energie haben, die erforderlich ist, um ein Schiff auf Bruchteile von c zu beschleunigen, ist es wahrscheinlich eine bessere Wahl, die Menschen mit einer gleichmäßigen Beschleunigung zufrieden zu stellen, als sie beim Start zu zerschlagen und sie dann schweben zu lassen. Es erfordert auch weniger Kraft (kleinere Motoren), um eine lange (relativ) leichte Verbrennung zu machen, als eine kurze schwere.

Wenn das Schiff während des gesamten Fluges Energie hat (Temperatur über 3 K, Licht), können Sie es sich wahrscheinlich leisten, den Motoren etwas zu geben.

Es gibt interstellare Masse, die Sie schließlich verlangsamen würde; sowas wie 10 − 7 g pro m 2 Querschnitt pro Lichtjahr, aber das ist nicht wirklich genug, um sich Sorgen zu machen.

Warum sollten Motoren brennen, sobald die Zielgeschwindigkeit erreicht ist?

Denn Drehbuchautoren:

  1. sind nicht sehr gebildet in der Wissenschaft, und
  2. gehen davon aus, dass Kinogänger dumm sind.

Würde die Flugbahn nicht mit der gleichen Geschwindigkeit und Richtung fortgesetzt, ohne dass eine Motorunterstützung erforderlich wäre?

Richtig. Aber Filme beschäftigen sich nicht mit der Realität.

Nicht wahr im Fall von Expanse, wo eine konstante Verbrennung 1 g liefert und die Reise kürzer macht als der passive Flugmodus mit kurzer Verbrennung.
@Mołot In diesem Fall wird " Zielgeschwindigkeit nicht erreicht ", da Sie unter konstanter Beschleunigung stehen. (ISTM wäre ein Großteil Ihrer Masse Kraftstoff. Klingt nicht sehr effizient.)
Diese spezielle Show wird in der Frage ausdrücklich erwähnt und in der Show (Staffel zwei) wird ausdrücklich erklärt, dass sie das Problem der Effizienz gelöst haben. Handwavium, ja, aber sie zeigten darauf und sagten ziemlich genau: "Das ist es, was wir mit der Hand winken".
Ja, es erfordert einige Handbewegungen, wie man einen Motor so effizient macht, dass er für dieses Beschleunigungsniveau machbar ist, aber für Sci-Fi ist das ziemlich realistisch. Das Prinzip ist nicht nur möglich, sondern wird in modernen Raumfahrzeugen in Form von Ionentriebwerken wie dem der Dawn-Mission eingesetzt. Dawn ist viel kleiner als jedes andere Schiff in der Weite und beschleunigte mit 90 mN statt ~1 g, aber indem es seine Motoren Hunderte von Tagen lang laufen ließ, war es in der Lage, Ceres und Vesta zu besuchen.
@ Nick, an diese Ionenmotoren mit niedrigem Schub habe ich auch gedacht, weshalb ich sie nicht erwähnt habe. Außerdem "brennen" sie nicht.
Ist die Darstellung von Szenen von Sub-FTL-Weltraumreisen mit brennenden Triebwerken korrekt?
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