Start und Landung außerhalb der Umlaufbahn?

TL;DR: es ist ineffizient. Sie sollten Kerbal Space Program spielen und sich selbst von den Auswirkungen des Reisens auf diese Weise überzeugen.

Vorausgesetzt natürlich, Sie wollten eigentlich gar nicht in den Orbit, sondern zB zum Mond oder ins Weltall. Besonders in Verbindung mit dem Hinweis von Wikipedia, dass keine Fluchtgeschwindigkeit erreicht werden muss, um die Schwerkraft gut zu verlassen.

"Entkommen" im Sinne dessen, was Sie tun, wenn Sie mit Fluchtgeschwindigkeit (und außerhalb der Atmosphäre) reisen, bedeutet, den gravitativen Einflussbereich (SOI) eines Körpers zu verlassen. Offensichtlich hat die Schwerkraft praktisch eine unendliche Reichweite, aber wenn Sie sich weit genug von der Erde entfernen, erreichen Sie einen Punkt, an dem der Gravitationseinfluss der Sonne den der Erde bei weitem überwiegt. Sie sind der Erde entkommen und in eine heliozentrische Umlaufbahn eingetreten.

Die Voraussetzung für die Flucht ist daher Distanz , nicht Geschwindigkeit . Wenn Sie mit Fluchtgeschwindigkeit unterwegs waren (und sich außerhalb der Atmosphäre befanden), reicht der Einfluss der Schwerkraft des Körpers nicht aus, um Sie zu einem relativen Halt zu verlangsamen und Sie wieder nach unten zu ziehen. Dies ist also eine Möglichkeit, dies zu tun.

Wenn Sie sich ein Paar sehr weit voneinander entfernter Welten vorstellen können, die durch eine Leiter miteinander verbunden sind . Wenn Sie diese Leiter weit genug hochklettern, werden Sie schließlich einen Punkt im Weltraum erreichen, an dem die Anziehungskraft der Welt, auf der Sie begonnen haben, von der Anziehungskraft der Welt, auf die Sie klettern, übertroffen wurde. Sie werden "entkommen" sein, egal wie schnell Sie sich mitziehen können.

(Beachten Sie, dass Sie sich bei einer Reise zum Mond nicht auf einer Fluchtbahn befinden müssen, da sich der Mond auch noch gut in der Schwerkraft der Erde befindet. Das bedeutet, dass Sie mit weniger als der Fluchtgeschwindigkeit unterwegs sind, was spart ein bisschen Sprit)

Was hindert Sie also daran, den Modus "In den Weltraum zu gelangen ist einfach" fortzusetzen, "schnell zu fahren und dann nach oben zu steuern", anstatt zu versuchen, in die Umlaufbahn zu gelangen?

Die Sache, die "nach oben zeigen und wegschießen" zu einem schlechten Weg macht, um einem Planeten zu entkommen, ist Effizienz. Ihre Rakete wird ständig der Schwerkraft ausgesetzt sein ... an jedem Punkt Ihrer Flucht müssen Sie die Triebwerke stark genug laufen lassen, um der planetarischen Schwerkraft in dieser Höhe entgegenzuwirken, plus ein bisschen mehr, um sich vom Planeten zu entfernen. Je länger Sie brauchen, um den Rand des Einflussbereichs des Planeten zu erreichen, desto länger müssen Sie sich der Schwerkraft widersetzen und desto mehr Treibstoff verschwenden Sie dabei.

Wenn Sie eine wirklich starke Rakete haben, können Sie damit schnell an den Rand des SOI reisen, großartig ... aber Sie hätten genauso gut senkrecht zum Gravitationsfeld des Planeten zeigen und Ihre Rakete dann ausführen können, damit die volle Beschleunigung ausgeht Ihre Rakete erhöht Ihre Geschwindigkeit, anstatt dass eine Ladung davon stattdessen der Schwerkraft entgegenwirkt. Sie würden dies natürlich nicht in einer Atmosphäre tun, weil Sie dann viel länger damit verbringen würden, den atmosphärischen Luftwiderstand zu bekämpfen. Man schießt also mehr oder weniger nach oben , um die Atmosphäre zu klären, und beschleunigt dann mehr oder weniger seitwärts, um viel Geschwindigkeit aufzubauen, um so schnell wie möglich den Rand des SOI zu erreichen.

... und plötzlich haben Sie festgestellt, dass Sie ein ziemlich konventionelles Raketenstartprofil nachahmen, wenn auch in einer "Direkteinspritzung" und nicht in der konventionelleren Wahl "Erdumlaufbahn betreten und dann wohin wechseln" (Direkteinspritzungen sind so etwas mehr effizient , aber nicht wirklich genug, um ihre Unannehmlichkeiten ansonsten auszugleichen).

(Es gibt auch den sogenannten Oberth-Effekt , der bedeutet, dass es effizienter ist, Ihre Rakete tief in einer Schwerkraft so nah wie möglich an Ihrer Periapsis zu verwenden, als sie viel weiter draußen in einer Umlaufbahn zu verwenden, aber ein Problem nach dem anderen).

Dasselbe gilt für Landungen. Zu einem Himmelskörper fliegen, in die Umlaufbahn eintreten und dann die gesamte Umlaufgeschwindigkeit verlieren. Wenn Sie so langsam genug reisen und den ganzen Weg langsam verlangsamen würden, um der Schwerkraft entgegenzuwirken

Wenn Sie im Verhältnis zu Ihrem Ziel sehr langsam reisen, dauert es natürlich sehr, sehr lange, bis Sie dort ankommen.

Abgesehen davon ist das Problem wieder einmal die Effizienz. Der wahrscheinlich sehr untechnische Begriff Suicide Burn wird verwendet, um eine Landebahn zu beschreiben, bei der Ihre gesamte Verzögerung so spät wie möglich erfolgt, um die Menge an verschwendetem Treibstoff zu minimieren.

ETA : Wie neph bemerkte, ist eine direkte Abstiegsbahn natürlich etwas effizienter, als sich in eine Umlaufbahn zu injizieren und dann die Umlaufbahn zu verlassen, aber sie bringt Timing-Probleme mit sich, wenn Sie an einem bestimmten Ort landen wollten, und tatsächlich Sicherheitsprobleme, da sie das Zurückspringen erschwert Umlaufbahn etwas härter.

Ihre Frage ist, wie ich es verstehe, darauf hinzuweisen, dass es zwei Möglichkeiten gibt, von der Erdoberfläche zur Oberfläche des Mondes zu gelangen.

Weg eins: Brennen Sie nach oben bis durch den dicksten Teil der Atmosphäre, um Luftwiderstand zu vermeiden. Brennen Sie seitwärts, um Umlaufgeschwindigkeit zu erreichen und Apogäum und Perigäum in den Weltraum zu heben. Brennen Sie aus der Erdumlaufbahn prograd, um eine translunare Flugbahn zu erreichen. Brennen Sie bei Gefahr rückläufig, um die Mondumlaufbahn zu erreichen. Brennen Sie weiter rückläufig in eine niedrigere Umlaufbahn, um die Oberfläche zu schneiden, und brennen Sie dann rückläufig an der Oberfläche, sodass wir eine weiche Landung erhalten.

Weg zwei: Finden Sie heraus, wie lange die Reise von der Erde zum Mond dauert, wenn Sie die Motoren kontinuierlich laufen lassen. Richten Sie die Rakete dorthin, wo der Mond dann sein wird. Beschleunigen Sie konstant in diese Richtung bis etwa zur Hälfte; Drehen Sie sich auf halbem Weg um 180 Grad und beschleunigen Sie konstant in die andere Richtung, sodass Sie beim Erreichen der Mondoberfläche eine Geschwindigkeit von Null erreichen.

Die zweite Methode wird als Brachistocrone-Trajektorie bezeichnet und ist der schnellste Weg, um von Punkt A nach Punkt B zu gelangen. Wie so oft beim schnellsten Weg ist sie jedoch überhaupt nicht sparsam im Kraftstoffverbrauch. Es macht nur Sinn, wenn Sie ein extrem leichtes Raumschiff haben, das Treibstoff sehr langsam und sehr effizient verbrennt. Das Dawn-Raumschiff zum Beispiel wäre ein Kandidat für diese Art von Flugbahn (obwohl es, wie ein Kommentator anmerkt, nicht genug Schub hat, um vom Boden abzuheben!), Aber wir haben keinen guten Grund, es zu wollen von Punkt A nach Punkt B so schnell wie möglich .

Vielmehr wollen wir mit einer vernünftigen Kombination aus Kosten und Zeit von Punkt A nach Punkt B kommen; Die Brachistocrone-Flugbahn ist außerordentlich teuer, weil sie so treibstoffineffizient ist, dass sie kein gutes Gleichgewicht zwischen Kosten und Zeit darstellt. Der herkömmliche Plan "Starten, Zirkularisieren, Transferieren, Zirkularisieren, Landen" dauert länger, ist aber um viele Größenordnungen treibstoffeffizienter und daher billiger.

Um speziell zum Mond zu gelangen, gibt es zusätzlich zu dem, was bereits erwähnt wurde, ein zusätzliches Problem: Vermutlich besteht Ihr Ziel, wenn Sie den Mond erreichen, entweder darin, ihn zu umkreisen oder eine schöne sanfte Landung darauf zu machen (wenn Ihr Ziel darin besteht, sich zu drehen sich in eine Wolke aus Splittern verwandeln, die über eine große Regolithfläche verteilt sind, können Sie sich gerne nähern). Das heißt: Sie müssen sich relativ zum Mond stationär machen. Da sich der Mond in einer Umlaufbahn um die Erde befindet, bedeutet dies, dass Sie irgendwann in eine Umlaufbahn um die Erde eintreten müssen, ob Sie wollen oder nicht.

Um in den Weltraum zu gehen, können Sie Ihren Ansatz wählen, vorausgesetzt, Sie haben nichts gegen schreckliche Effizienz (und Techniken wie diese können funktionieren, um Dinge zu starten, die viel kleiner als die Erde sind, wo die Effizienzverluste viel geringer sind), aber wenn Sie zielen darauf ab, sich mit etwas zu treffen, das sich in einer Umlaufbahn um das Ding befindet, von dem Sie starten, Sie müssen unbedingt in eine Umlaufbahn um das Ding gelangen, von dem Sie starten.

Zu einem Himmelskörper fliegen, in die Umlaufbahn eintreten und dann die gesamte Umlaufgeschwindigkeit verlieren. Wenn Sie so langsam genug reisen würden und langsam den ganzen Weg abbremsen würden, um der Schwerkraft entgegenzuwirken, würden Sie wahrscheinlich viel Zeit brauchen, aber es muss sicherlich einen anderen Grund geben, warum es nicht möglich ist, sonst sollten wir es nicht tun Tu es.

Da andere (insbesondere Starfish Prime ) bereits mit den Prinzipien der Orbitalbewegung geantwortet haben, werde ich dies nun aus einem praktischen Blickwinkel angehen.

Ich habe die PC-Version von Kerbal Space Program und spiele sehr gerne damit. Es ist ein Weltraumprogramm-Simulationsspiel, mit dem Sie die praktischen Auswirkungen verschiedener Ansätze zur Raumfahrt sehen können.

Was Sie dort vorschlagen, ist möglich - ich habe es viele Male im Spiel getan. Es ist nur so, dass das Einparken in eine Umlaufbahn und das anschließende Verlassen der Umlaufbahn um einige Größenordnungen billiger ist.

Wenn Sie in den Weltraum abheben, wird Ihre Flugbahn – die Form Ihrer Umlaufbahn – durch die Schwerkraft dessen, wovon Sie abheben, und Ihre momentane Geschwindigkeit definiert. Sie wissen bereits, dass Ihre Flugbahn kreisförmig sein muss, um die Erde zu umkreisen, und das erfordert viel horizontale Geschwindigkeit.

Vielleicht möchten Sie zum Mond fliegen, ohne zuerst eine Umlaufbahn um die Erde drehen zu müssen und ohne auf dem Mond orbital parken zu müssen. Richten Sie dazu die Rakete einfach im richtigen Moment nach oben und legen Sie los. Das funktioniert auch.

Kommen wir zu den Grundlagen der Orbitalbewegung: Wenn Sie in die Richtung beschleunigen, in die Sie gehen (prograd), dehnt sich die Form Ihrer Umlaufbahn, sodass der von Ihnen am weitesten entfernte Punkt höher wird. Beachten Sie auch, dass, wenn Ihre Umlaufbahn so elliptisch ist, Ihre relative Geschwindigkeit zu dem, was Sie umkreisen, umso langsamer sein wird, je höher Sie gehen.

Um mit einem Hoffman-Transfer zum Mond zu gelangen, müssen Sie in den Low Earth Orbit (LEO) gelangen und dann mit 7,8 km/s parken. Dann beschleunigen Sie an einem bestimmten Punkt auf 10,4 km/s, und das bringt Sie auf eine elliptische Flugbahn, die sich mit der eigenen Umlaufbahn des Mondes schneidet, sodass Sie und der Mond sich genau zur gleichen Zeit treffen und landen können. Ihre Geschwindigkeit bleibt an dem Punkt, an dem Sie beschleunigt haben, bei 10,4 km/s relativ zur Erde, wird jedoch am entfernteren Ende Ihrer Umlaufbahn auf etwa 1 km/s reduziert (ohne Berücksichtigung der Beschleunigung vom Mond).

Wenn Sie sich dem Mond nähern, wird Ihre relative Geschwindigkeit zum Mond selbst geringer sein - in 60.000 km Entfernung sollte Ihre relative Geschwindigkeit etwa 1,1 km/s betragen. Sie werden vom Mond darauf beschleunigt, und dann müssen Sie diese Geschwindigkeit ablegen. Apollo 11 erreichte 118 km der Mondoberfläche mit 1,8 km/s (aufgrund der Gravitationsbeschleunigung durch den Mond), bremste dann auf 1,6 km/s ab, um in seiner Umlaufbahn zu parken. Der Lander musste so viel Geschwindigkeit verlieren, um aufzusetzen.

Wenn Sie dagegen eine Flugbahn so direkt wie möglich zum Mond nehmen möchten, können Sie es wie die New Horizons tun. Sobald Sie die Atmosphäre passiert haben, erreichen Sie 16,2 km/s. Sie werden den Mond in weniger als neun Stunden erreichen (vergleichen Sie mit den ~3 Tagen, die Apollo brauchte). Sie werden auch viel mehr Geschwindigkeit haben - in diesem Fall ist Ihr Apogäum WEIT jenseits des Mondes, was bedeutet, dass Sie auf dem Weg sehr wenig Geschwindigkeit verlieren werden. Sie werden den Mond praktisch mit derselben Geschwindigkeit erreichen, also müssen Sie jetzt ~16 km/s abwerfen.

Alles in allem ändern Sie die Geschwindigkeit ~ 3x mehr, indem Sie auf einem weniger kreisförmigen Pfad fahren. Das bedeutet jedoch nicht, dass Ihre Ausgaben einfach mit 3 multipliziert werden. Zitat von Randall Munroe:

Ingenieure nennen dies die Tyrannei der Raketengleichung : Wenn der Betrag, um den Sie Ihre Geschwindigkeit ("Delta-v") ändern möchten, steigt, steigt der erforderliche Treibstoff exponentiell an.

Ich habe nicht die Mathematik in mir, aber nach meiner Erfahrung in KSP brauchen Sie vielleicht eine Energia, um eine sehr kleine Sonde auf dem Mond zu landen, wenn Sie versuchen würden, dies im wirklichen Leben durchzuziehen. Leider sind Energien beide unerschwinglich teuer und werden nicht mehr angeboten.

Was hindert Sie daran, schnell zu fahren und dann nach oben zu lenken?

Ist es nicht die Atmosphäre?

Zuerst nach oben zu gehen und dann zu beschleunigen, macht den Weltraumflug möglich. Keine Rakete könnte bei 1 Atmosphäre auf Mach-20+ beschleunigen und sie dann bis ins All aushalten.

Die Antwort ist ein vollständiger Schwerkraftverlust. Wenn eine Rakete senkrecht nach oben brennt, erleidet sie ständig Schwerkraftverluste, die der lokalen Erdbeschleunigung (9,8 m/s auf der Erdoberfläche) entsprechen. Eine Rakete, die gerade auf der Erdoberfläche mit 9,8 m/s brennt, wirkt genau der Gravitationskraft entgegen und schwebt und fliegt nirgendwo hin. Die gesamte Leistung der Rakete geht in den Schwerkraftverlust. Raketen, die horizontal brennen, erleiden keinen Schwerkraftverlust, sie "versuchen" überhaupt nicht zu schweben.

Dies ist eine Möglichkeit zu sehen, warum eine Hohmann-Transferbahn am effizientesten ist, da die Rakete sowohl für Injektions- als auch für Einfangverbrennungen horizontal brennt.

Bei einer Fackelfahrt ist Effizienz nutzlos und Sie möchten schnell dorthin gelangen, also zielen Sie einfach auf Ihr Ziel, brennen mit 1 g, drehen dann um und verlangsamen. Aber da wir nicht in The Expanse leben, ist es uns wichtig, Orte wie den Mond mit möglichst wenig Treibstoff zu erreichen.

Und der effizienteste Weg für eine Rakete, zum Mond zu starten, wäre tatsächlich, ungefähr horizontal zur Oberfläche zu brennen. Raketen brennen nach oben, um zu starten, weil die Erdoberfläche im Weg ist, Luftwiderstandsverluste aufgrund der Atmosphäre und die zum Erreichen des Mondes erforderlichen Umlaufgeschwindigkeiten würden die Rakete auf Meereshöhe verbrennen. Aber wenn Sie die Erdoberfläche und die Atmosphäre entfernen würden (kleine Bedenken), würden Raketen horizontal starten und etwas tun, das wie ein Hohmann-Transfer aussah.

Raketen verbrennen also nur so weit, dass sie von der Erde und der Atmosphäre weggebracht werden, dann kippen sie alle um, damit sie so horizontal wie möglich brennen können.

Es gibt eine kleine Komplikation, bei der so etwas wie eine direkte Aufstiegsbahn nicht so viel Zeit horizontal verbringt wie die Verwendung einer Parkumlaufbahn, aber dies wird ausgeglichen, indem mehr Kraftstoff tiefer in den Gravitationsschacht abgeladen und der Oberth-Effekt ausgenutzt wird, aber Schwerkraftverluste sind das Hauptanliegen. Eine Trajektorie mit "direktem Aufstieg" ist immer noch sehr horizontal und nicht "auf den Mond zeigen und losfahren", wie Sie es bei einer Fackelfahrt tun würden, und spart gegenüber einer Parkumlaufbahn wenig, während Sie mit der Parkumlaufbahn beurteilen können, ob Sie sicher von der Erde geschafft haben und eine Go-No-Go-Entscheidung treffen, bevor sie sich zu einer translunaren Injektion verpflichten.