Was wäre erforderlich, um ein Fahrzeug wie das Space Shuttle zu haben, das von der Erde starten und durch den Weltraum reisen könnte und wiederverwendbar wäre, außer dass es auch die Fähigkeit besäße, auf dem Mond zu landen und zur Erde zurückzukehren. Ich schreibe einen Science-Fiction-Roman, in dem dies geschieht ... ich brauche nur eine vereinfachte theoretische Idee, um die Reise im Buch einigermaßen plausibel zu machen, auch wenn es noch nicht möglich ist.
Da Sie sehr minimalistisch sind, könnten Sie diese Reise mit den folgenden Delta Vs erreichen.
Wenn wir all das zusammenzählen, erhalten wir ungefähr 18 km/s des erforderlichen Delta V. Das ist jedoch ein sehr minimalistisches Delta V-Budget, absolut kein Raum für Fehler oder nicht optimale Pfade. Nicht nur das, der Start von der Erde verwendet Metriken für dichte Startsysteme, was sehr optimistisch ist. Die Landung auf dem Mond ist auch sehr knapp, so dass bei falsch eingeschätzten Entfernungen durch die rückläufige Verbrennung mehr Treibstoff verschwendet würde. Angenommen, wir hätten es geschafft, diese beiden Probleme zu lösen, wäre das kleinste Delta V die erwähnten 18 km / s.
Die Verwendung von HydroLox- Raketen ist der höchste ISP von chemischen Raketen, die jemals hergestellt wurden. Bei etwa 450s benötigen Sie e^(18/4,5)= ~55 . Das bedeutet, dass Ihre Rakete ein Fahrzeug benötigen würde, das das 55-fache seines Eigengewichts tragen könnte, während es sich in der Erdatmosphäre mit einer Beschleunigung von mindestens 1,5 G befindet. Die besten Raketen, die die erforderliche Beschleunigung mit leichter zu handhabendem Kraftstoff als Wasserstoff liefern können, sind dreimal schwerer als das, und aktuelle normale Wasserstoffraketen haben etwa das 6- bis 8-fache des Zielgewichts, sodass Raketentreibstoffe aus sind.
Wenn wir NTR -Motoren (Thermal Nuclear Rocket) mit den Zielspezifikationen des Projekts Timberwind verwenden und berücksichtigen, dass die Wasserstofftanks die gleiche Masse pro Volumen des externen Shuttle-Tanks vollständig für H2 hatten. Wir hätten etwa 150 Tonnen H2, 25 Tonnen für Tanks, 9-Tonnen-Motoren. Dies ist eine realistische Rakete bis zu dem Punkt, an dem wir feststellen, dass wir alle anderen erforderlichen Dinge wie Navigation, Nutzlastverkleidungen, die gesamte Verkabelung, Hitzeschilde, Landestreben, Kontrollstrukturen usw. ignoriert haben, die besagten, dass der Vac DeltaV ist:
DeltaV =1000s*ln(184/34)=1,688*1000s=16,88 km/s
So ist das bloße Mindestgewicht nicht ganz schlank genug. Mit einem anderen Design fangen die Dinge an, besser auszusehen. Die Teile mit hohem Schub werden von den NTR- und Ionen-Triebwerken für den Mondtransfer und die Rückkehr behandelt. Sie bräuchten also:
Hoher Schub 9,2+1,7+1,7=12,6 Km/s = 72% Gewicht
Und weitere 12 km/s für Mondtransfer mit geringem Schub . (für einige Manöver mit niedrigem Schub benötigen Sie mehr Delta V)
Bei 40 Km/s Auspuffgeschwindigkeit bräuchten Sie noch = 33% Gewicht
Gesamtkraftstoffgewicht=1-0,28*0,67=0,79
Das Gewicht der Nutzlast + des Ionentriebwerks ist auf 3 % begrenzt (100 % - 18 % - 79 % = 3 %).
Wir gehen also von 1 % Nutzlast und 2 % „Motor“ aus
Nehmen wir eine hohe Leistungsdichte von 500 W/kg an. Für jede Tonne Landboot haben wir 20 kg Sonnenkollektoren + Motor.
10 kw/t. Bescheidene 50 % Effizienz = 40 mg Abgas / Tonne. Gesamter verbrauchter Kraftstoff = 70 kg
1,75 Megasekunden = 24 Tage für den Mond und zurück (Die tatsächliche Zeit sollte 2- oder 3-mal höher sein, da die Reihenfolge, in der sie berechnet wurde, den auf dem Mond zu verbrennenden Treibstoff nicht berücksichtigte. Für alle anderen Zwecke Die Berechnungen sind korrekt.)
Es gibt einige Annäherungen wie 1000 Sekunden sind nicht 10 km/s, sondern 9,82 km/s, aber die Ergebnisse sind in dem Zusammenhang, in dem sie verwendet wurden, ziemlich genau.
Fazit, mit einer Mischung aus NTR-Motoren und Ionen-Motoren, wobei alle anderen erforderlichen Dinge außer dem Antrieb ignoriert werden (gut genug für ein Buch mit signifikanten, aber ziemlich sci-fi-Verbesserungen der aktuellen Technologie). Oder Sie halten auf halbem Weg an, um zu tanken. Leo bevor er zum Mond geht, klingt gut und sollte mit der aktuellen Theknologie erreichbar sein.
Es gibt natürlich noch andere offene Kreislauftechnologien, die wir mit genügend Geld und einem Jahrzehnt „leicht“ herstellen könnten, aber die Freisetzung von Kernbrennstoff in die Atmosphäre ist keine so gute Idee.
Von der Erde in den Weltraum zu kommen ist billig (für ziemlich große Werte von billig ... aber es wurde gezeigt, dass eine Rakete (eine ASM-135 ASAT), die von einem gewöhnlichen Kampfflugzeug (einer F-15A "Eagle") abgefeuert wird, es schaffen kann in den Weltraum (und dort einen Satelliten abschießen ( https://en.wikipedia.org/wiki/ASM-135_ASAT ))). Der Aufenthalt im Weltraum (das Erreichen der Umlaufbahn) ist teuer. Der größte Teil des Treibstoffs wird verbraucht, um den Treibstoff in den Weltraum zu bringen (und dort zu bleiben).
Wir brauchen eine Treibstofffabrik auf dem Mond (oder irgendwo anders in der Nähe der Erde, könnte ein Asteroid oder was auch immer sein). Vom Mond ins All zu kommen und dort zu bleiben (oder zur Erde zu fliegen) ist verdammt billig. Wenn wir also Treibstoff auf dem Mond produzieren können, könnten wir einen billigen Shuttle-Service vom Mond zur Erde einrichten. Das Mond-Erde-Shuttle wird nicht auf der Erde landen, aber es kann Nutzlast aufnehmen, die von der Erde ins All geschossen wird. Da es billiger ist, vom Mond stammenden Treibstoff in den Weltraum zu bringen als von der Erde stammenden Treibstoff, würde dieses Mond-Erde-Shuttle diesen billigen "Mondtreibstoff" verwenden, um in der Nähe der Erde hart zu bremsen, um die Nutzlast aufzunehmen und dann für die Reise wieder zu beschleunigen zurück zum Mond. Billiger auf diese Weise, als die Nutzlast mit "Erdtreibstoff" zu beschleunigen, um sie in eine untere Erdumlaufbahn zu bringen.
Wir werden also zwei Raumschiffe haben, ein Mond-Erde-Shuttle und ein Erde-Weltraum-Shuttle.
Das Earth-Space-Shuttle könnte ein konventionelles Design sein oder vielleicht ein Raumschiff mit Laserenergie. Ein Raumschiff mit Laserenergie muss seinen Treibstoff nicht mit sich führen – der Treibstoff bleibt auf der Erde und die Energie wird auf das Schiff "bestrahlt". Eines der aktuellen Designs nutzt die Umgebungsluft als Reaktionsmasse. Es gibt auch andere Konstruktionen, die Reaktionsmasse an Bord tragen.
Hinweis: Ich habe die "Orbital"-Manöver für das Rendezvous zur Nutzlastübergabe nicht berechnet. Auch nicht, dass ich keine Ahnung hätte, wie man auf dem Mond Treibstoff "abbaut" (produziert). LOX ist vielleicht keine natürliche Ressource auf dem Mond :-). Aber anscheinend ist etwas Wasser da ( https://en.wikipedia.org/wiki/Lunar_water - siehe auch den Abschnitt Eigentum für einige rechtliche Fragen). Andererseits könnte auch die Verwendung eines Asteroiden als Brennstoffquelle eine Option sein ( https://www.space.com/1526-largest-asteroid-fresh-water-earth.html ).
Offensichtlich wären die anfänglichen Einrichtungskosten einer Brennstofffabrik im Weltraum oder auf dem Mond enorm. Und das beantwortet immer noch nicht die Frage, warum jemand zum Mond reisen möchte (zumindest jetzt, wo der Weltraumwettlauf vorbei ist). Ach ja - ich kenne die Theorie von der geheimen NAZI-Basis dort, und dass Hitler aufgrund der günstigen Wirkung der niedrigen Schwerkraft dort noch am Leben sein könnte. Aber du liegst falsch. Die geheime NAZI-Basis befindet sich auf dem Mars - was überall ein sehr gut gehütetes Geheimnis ist (als die NAZIs den Mars Climate Orbiter abschossen, produzierte die NASA sogar eine kitschige Titelgeschichte, in der behauptet wurde, dass es eine "Einheitendiskrepanz" gibt (was natürlich völlig lächerlich ist - warum sollte jemand in den USA ein veraltetes Einheitensystem verwenden, das auf dem "Imperial System" basiert ... hat jemand den Teil über die Boston Tea Party verpasst?)).
Beachten Sie, dass das OP ausdrücklich nicht nach einer "harten wissenschaftlichen Antwort" gefragt hat, sondern nach Inspiration für einen "weichen" SF-Roman. Ich denke, Sie können herausfinden, wo meine Antwort von der "harten wissenschaftlichen Wahrheit" abweicht.
Beachten Sie auch, dass ich die Forderung nach einem wiederverwendbaren Raumschiff als die Absicht interpretiere, eine reguläre Erde-Mond-Shuttle-Linie zu bauen. Daher meine Idee, einen viel höheren anfänglichen Einrichtungsaufwand zu akzeptieren.
Eine andere Idee für Starts vom Mond war eine Railgun (oder ein Linearmotor), wie in dieser Frage: Können wir eine Railgun auf dem Mond verwenden, um Dinge direkt zum Mars zu starten? . Für eine "einfache" Rückkehr zur Erde wäre es jedoch wahrscheinlich nicht sinnvoll, in eine Schienenkanone / einen Linearmotor zu investieren, da der Start vom Mond zur Rückkehr zur Erde sowieso so billig ist.
lijat