Könnte ein komplexes System von Reaktionsrädern verwendet werden, um ein Raumschiff anzutreiben?

Ich habe über verschiedene Möglichkeiten nachgedacht, wie sich Raumfahrzeuge bewegen können, und bin auf Reaktionsräder gestoßen, als eine Möglichkeit, sich zu drehen. Also war ich neugierig, ob ein komplexes System von ihnen verwendet werden könnte, um ein großes Raumschiff vorwärts und rückwärts anzutreiben, anstatt sich auf der Stelle zu drehen? Es könnte eine Möglichkeit sein, innerhalb eines kleinen Bereichs zu manövrieren (um einen POI herum oder seine Umlaufbahn anzupassen) und gleichzeitig mehr Energie zu sparen als hochtechnologische Antriebssysteme.

* Ich bin nicht sehr versiert in Physik, also verzeihen Sie mir bitte, wenn dies sehr abwegig ist.

Kurze Antwort: Nein. Längere Antwort ist, dass sich der Massenmittelpunkt im Raum mit der Geschwindigkeit bewegt, die er hat. Um diese Geschwindigkeit (Geschwindigkeit oder Richtung) zu ändern, müssen Sie etwas Masse ausstoßen oder den Impuls des Lichts auf irgendeine Weise nutzen. Reaktionsräder können Sie also drehen, aber sie können Ihre Geschwindigkeit nicht ändern.
Schauen Sie sich en.wikipedia.org/wiki/Reactionless_drive an "es wurde nie gefunden, dass ein rotierendes (oder irgendein anderes) mechanisches Gerät einen unidirektionalen rückwirkungslosen Schub im freien Raum erzeugt."
Der Drehimpuls ist additiv. Jedes komplexe System von Reaktionsrädern kann durch ein einfacheres, größeres System ersetzt werden.
Der Vibrator eines Handys bewegt das Handy leicht hin und her. Im Prinzip könnten Sie es etwas besser machen und das Objekt fast so weit bewegen, wie das Objekt groß ist - aber nicht mehr, weil Sie den Massenmittelpunkt auf diese Weise nicht bewegen können und der Massenmittelpunkt immer hat irgendwo innerhalb des Objekts sein. (In der Praxis denke ich, dass Sie aus technischer Sicht das Beste, was Sie realistisch tun könnten, darin besteht, das Raumschiff zum Vibrieren zu bringen.)
Sie könnten ein rotierendes Rad verwenden, um etwas Treibmittel zu beschleunigen und auszustoßen. Das vermeidet die Probleme, die mit den hohen Temperaturen der üblichen Raketentriebwerke verbunden sind.
@HarryJohnston Ein vibrierendes Telefon im Weltraum würde sich lediglich um seinen Massenmittelpunkt drehen. Wenn er auf einem Tisch sitzt, wirken andere Kräfte auf ihn ein (dh die unvollkommene elastische Reaktion des Tisches), die eine Bewegung seines Massenschwerpunkts ermöglichen.
Diese Idee klingt ein bisschen wie der Dean Drive
@CJDennis, ja, aber die Tatsache, dass sich der Massenmittelpunkt nicht bewegen kann, bedeutet nicht, dass sich der Rest des Objekts nicht darum herum bewegen kann. Stellen Sie sich als extremes Beispiel eine leichte Kugelschale vor, die durch einziehbare Linien mit einer viel schwereren und viel kleineren Kugel verbunden ist - das Objekt als Ganzes könnte sich von seiner ursprünglichen Position in jede Richtung entfernen, fast so weit wie sein Radius. Aus technischer Sicht kein nützliches Design, aber die Physik ist solide.
@HarryJohnston Das passt in keine mir bekannte Definition von "Antrieb".
@CJDennis, ich wollte nicht vorschlagen, dass dies der Fall ist. Anscheinend war mein ursprünglicher Kommentar nicht so klar, wie ich gehofft hatte. Der Punkt ist, dass Sie sich zwar auf diese Weise bewegen können , die Bewegung jedoch äußerst eingeschränkt und überhaupt nicht nützlich ist.
@zeta-band Warum schreibst du deine Antworten in den Kommentarbereich ?
Hat nicht das FBI oder war es die CIA versucht, eine fliegende Untertasse auf diese Weise mit Antrieb zu bauen?
Übrigens, wenn Sie den Treibstoff einer herkömmlichen Rakete als Teil der Rakete betrachten, bewegt sich der Massenmittelpunkt dieser Rakete überhaupt nicht, wenn Sie den Motor im freien Fall starten. Es kann nicht.

Antworten (2)

Zuvor gepostete Kommentare sind korrekt: Im freien Raum (angenommen frei von den Schwerkraftfeldern anderer Körper) gibt es keine Möglichkeit, die Winkelbewegung der Reaktionsräder in eine Translationsbewegung umzuwandeln.

Es gibt einen ironischen Weg: Werfen Sie ein Reaktionsrad vom Raumschiff in die Richtung, die der Richtung des gewünschten Delta-V entgegengesetzt ist! ;-)

Wenn Sie die Freiraumannahme aufgeben und nichtkugelförmige Gravitationskörper in der Nähe des Raumfahrzeugs zulassen, ist es möglich , durch Drehen des Raumfahrzeugs zur richtigen Zeit und mit der richtigen Geschwindigkeit, Gezeitenkräfte vom Gravitationskörper aufziehen zu lassen dem Raumschiff ein wirklich winziges Delta-V zu verleihen.

Ich war lange von der Frage fasziniert, ob ein Satellit in LEO „pumpen“ oder die Massenverteilung ändern könnte, um Vorwärtsbewegung zu gewinnen? und ich denke, Ihre Erwähnung " wirklich winziges Delta-V" spricht dies in irgendeiner Weise an. Kennen Sie einen Ort, an dem ich weiter darüber lesen könnte, wie man das Raumschiff "zur richtigen Zeit und mit der richtigen Geschwindigkeit" dreht, um dies zu maximieren? Etwas mit einigen grundlegenden Grundgleichungen? Es gab eine Zeit, in der ich wusste, wie man einen Lagrange für ein dynamisches System aufschreibt, aber diese Zeit ist schon lange vorbei ...
@uhoh Genau so bewegt sich der Mond von der Erde weg. Während der Mond umkreist, stören Gezeitenkräfte die Form jedes Körpers und verschieben so ihre Massenschwerpunkte. Da sich das Erde-Mond-System in einem gezeitengekoppelten, resonanten System befindet, ist der Effekt nicht zufällig oder chaotisch, sondern dient dazu, Rotationsenergie von der Erde in Orbitalenergie im Mond zu übertragen: Die Erdrotation verlangsamt sich und die Umlaufbahn des Mondes beschleunigt sich ( was bedeutet, dass es sich wegbewegt).
@OscarBravo Es ist definitiv im selben allgemeinen Satz von Gleichungen, aber ich bin mehr daran interessiert herauszufinden, wie ein "artikulierter Mond", der seine eigene Form oder zumindest sein eigenes Quadrupolmoment ändern könnte, das Timing und die Wellenform von optimieren würde diese Modulation, um seine Steiggeschwindigkeit unter Verwendung des Quadrupolmoments (J2) der Erde zu maximieren.
@OscarBravo: Ich gehe davon aus (da es sich um einen beständigen Einfluss handelt), dass die Umlaufbahn des Mondes konzentrisch zugenommen hat (dh er wird nicht elliptischer). Bedeutet das, dass dieser Effekt irgendwann nachlässt, wenn der Mond höher kreist als zuvor? Oder wird er immer weiter steigen, bis er schließlich die Erde hinter sich lässt?
@uhoh Scott Manly hat ein älteres Video über das Kerbal Space Program, in dem das Umfüllen von Kraftstoff von einem großen Tank in einen anderen gleich großen Tank die Übersetzung ermöglichte. Er scherzte, dass dies eine billige, wenn auch langsame und mühsame Art wäre, zu anderen Planeten zu reisen, aber ich bin mir ziemlich sicher, dass ich mich auf KSPs ... unbekümmerten Ansatz zur Physik beschränkt habe. :)
@OscarBravo-Regeln ändern sich definitiv auf Makroebene im Vergleich zum Mikro
@uhoh Hier ist ein Beispiel: Ein ungefähr hantelförmiges Raumschiff, dessen Masse in den Kugeln der Hantel konzentriert ist, fliegt auf einer polaren Umlaufbahn an einem abgeflachten Planeten vorbei, mit Periapsis am Äquator des Planeten. Auf dem einfliegenden Bein dreht sich das Raumfahrzeug so, dass die Längsachse (dh die Achse, die durch die Mittelpunkte der Kugeln geht) auf die äquatoriale Wölbung zeigt. In dieser Ausrichtung ist die Gravitationsanziehungskraft etwas größer, als wenn die Achse um 90° von dieser Ausrichtung ausgerichtet wäre. Es zeigt diese Kugel weiter auf die Ausbuchtung, bis sie direkt darüber ist, und dreht sich dann um 90 ° ...
@uhoh ... um die beiden Kugeln gleich weit von der äquatorialen Ausbuchtung entfernt zu platzieren. Nun ist die Gravitationskraft für die Hinflugstrecke etwas geringer als in der Hinflugrichtung, also wird die Hinflugverzögerung etwas geringer sein als die Hinflugbeschleunigung, und das Raumfahrzeug wird eine kleine Menge Delta-V aufgenommen haben. Das Momentum bleibt jedoch erhalten: Der asymmetrische Pass hat dem Planeten auch etwas Delta-V verliehen. Aber wenn das Delta-V des Raumfahrzeugs winzig ist , ist das Delta-V des Planeten winzig! Im Gegensatz zu einem standardmäßigen, symmetrischen hyperbolischen Vorbeiflug ändert dieser Vorbeiflug die V-Unendlichkeit.
@TomSpilker okay, ich werde das nach meiner 2. Tasse Kaffee auf Papier (oder Python) bearbeiten. Dafür brauche ich beide Gehirnzellen . Danke für das Szenario!
@LuxClaridge Ja; Das Problem ist, dass in KSP das Herumpumpen von Kraftstoff den Schwerpunkt ändert, ohne das Fahrzeug tatsächlich zu bewegen. Im wirklichen Leben bewegt sich der Massenmittelpunkt nicht.

Nein, es ist ein Lehrbuchfall der Erhaltung des linearen Impulsvektors ohne äußere Kräfte.

Linearer Impuls eines Systems Sum(mv) ist eine Erhaltungsgröße, auch wenn einzelne Teile ihre Impulsvektoren ändern dürfen.

Tatsächlich erhalten Reaktionsräder auch den Drehimpuls des Gesamtsystems (Schiff + Rad)! Aber das ist in Ordnung, weil Sie das sich drehende Reaktionsrad im Schiff lassen können. Es ist auch so, dass die Winkelposition (Ausrichtung) nicht erhalten bleibt, sodass Sie sich mit einem Reaktionsrad im Raum drehen können und sich das Reaktionsrad am Ende des Vorgangs nicht dreht.

Könnte ein komplexes System von Reaktionsrädern verwendet werden, um ein Raumschiff anzutreiben?
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