Raumfahrt: Gibt es eine Geschwindigkeitsbegrenzung unter Lichtgeschwindigkeit?

Es ist nicht genau so, wie Sie es ausdrücken, die Abgasgeschwindigkeit ist keine Höchstgeschwindigkeit für ein Raumschiff . Während die Abgasgeschwindigkeit den Schub zusammen mit der Rate der ausgestoßenen Masse definiert und gegeben ist durch:

wo Schub$T$ist eine Reaktionskraft, die ein Produkt der Abgasgeschwindigkeit ist$v$und Massenveränderung$\Delta m$rechtzeitig$\Delta t$, Sie vernachlässigen die Trägheit . Wenn Sie einige der Treibmittel investieren, um etwas Schub zu erreichen, und Sie mit einer bestimmten Geschwindigkeit unterwegs sind, tragen die Treibmittel der verbleibenden Rakete jetzt in gewisser Weise die Impulskraft dieser Rakete . Dies wird üblicherweise als Impulserhaltung bezeichnet .

Während sich also die Abgasgeschwindigkeit normalerweise nicht ändert (unter der Annahme von Motoren und Treibmitteln mit gleicher Leistung) und in direktem Zusammenhang mit der Raketenleistung steht (was wir normalerweise als spezifischen Impuls bezeichnen ), ist jetzt die gesamte verbleibende Masse der Rakete, einschließlich der verbleibenden Treibmittel tragen diese gleiche Geschwindigkeit. Da der Schub durch die Abgasgeschwindigkeit in Bezug auf die Rakete selbst gegeben ist, würden Sie ständig die eigene Geschwindigkeit der Rakete rechtzeitig zum neuen Schub hinzufügen, um möglicherweise die Geschwindigkeit der Abgasgeschwindigkeit zu überschreiten. Macht das Sinn?

Wenn Sie mehr darüber lesen möchten, wie die maximal erreichbare Geschwindigkeit (meistens als$\Delta v$, delta-v oder Geschwindigkeitsänderung), würde ich vorschlagen, den Wikipedia-Artikel über die Tsiolkovsky-Raketengleichung oder andere ähnliche Fragen auf unserer eigenen Website zu lesen.

Wenn wir zum Beispiel ein Verhältnis von Nass- zu Trockenmasse von 10:1 annehmen (Nutzlast und Rakete wiegen zusammen 1/10 des Gewichts der Treibstoffe), wird die Rakete reichen$\ln(10) \approx 2.3 \cdot v_e$, oder delta-v von etwa dem 2,3-fachen der Treibmittelaustrittsgeschwindigkeit. Nehmen wir für ein praktischeres Beispiel an, dass die Gesamtmasse unserer Rakete (Nassmasse; Treibmittel + Trockenmasse der Rakete) 100 Tonnen beträgt und die Trockenmasse der Rakete (wenn sie alle ihre Treibmittel verbraucht hat) 10 Tonnen beträgt. Unter der Annahme eines bestimmten Impulses$I_{sp}$von 460 Sekunden (Abgasgeschwindigkeit von ~ 4.511 m/s, bzw$I_{sp}$in Sekunden multipliziert mit$g \approx 9.80665\ m/s^2$), die mit kryogenen LOX/LH - Treibtriebwerken (Flüssigsauerstoff/Flüssigwasserstoff) wie z . Also wieder das ~ 2,3-fache der Abgasgeschwindigkeit, also natürlicher Logarithmus $\ln(x)$, wo$x$ist$\frac {m_0} {m_1}$, oder unser Verhältnis von Nass- zu Trockenmasse . Wenn Sie mit anderen Parametern spielen möchten, können Sie bequem diesen Delta-V-Rechner verwenden.

Übrigens würde das, was Sie in den Fragen gesagt haben, für einige andere Antriebsmethoden gelten, bei denen die Quelle Ihres Schubs bis zu dem Punkt stationär ist, an dem Sie Ihre Geschwindigkeit definieren, wie beispielsweise Sonnensegel oder einige Strahlformen -angetriebener Antrieb .

Was die Grenzen betrifft , so haben traditionelle Raketenantriebsmethoden ihre eigene Grenze, die oft als Tyrannei der Raketengleichung bezeichnet wird, da vereinfacht gesagt - Ihr gesamtes Delta-V davon abhängt, wie viel Treibmittel Sie tragen, aber je mehr Sie davon tragen Sie werden schwerer und es wird teurer, sie auf eine beliebige Geschwindigkeit zu beschleunigen (nicht zu verwechseln mit der Abgasgeschwindigkeit , die gleich bleibt).

TildalWave hat eine korrekte und detaillierte Antwort gegeben. Aber für einen ganz einfachen Beweis:

Sogar Wasserstoff/Sauerstoff-Motoren (der stärkste Kraftstoff, der tatsächlich verwendet wurde) haben eine Abgasgeschwindigkeit, die weit unter der Umlaufgeschwindigkeit liegt.

Eigentlich gibt es für jede Aktion eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion. Wenn also keine Schwerkraft vorhanden ist, ist die Höchstgeschwindigkeit gleich. Aber es gibt keine feste Grenze kleiner als die Lichtgeschwindigkeit. Nur die Lichtgeschwindigkeit ist konstant und unzerbrechlich. nach der Relativitätstheorie und das liegt daran, dass die Zeit langsam wird, um diesen konstanten Wert zu bewahren.