Warum bewegen sich viele Kometen und Asteroiden durch das Sonnensystem, aber Raumschiffe brauchen dafür Treibstoff?

Deine Annahmen sind falsch.

Ein Raumschiff (sobald es der Erde entkommen ist) wird ebenfalls weiterreisen – tatsächlich benötigt es nur Treibstoff, um seine Flugbahn und Geschwindigkeit ohne Gravitationseffekte von anderen Körpern zu ändern.

Wenn Sie ein Schiff mit Besatzung haben, benötigen Sie ausreichend Treibstoff oder Energie für die Lebenserhaltung und eine Treibstoffreserve, um an Ihrem Ziel zu manövrieren, aber in der Mitte gibt es nur viel Ausrollen mit geringfügigen Anpassungen der Fluglage . Siehe zum Beispiel die Kursinformationen von Perseverance :

Die Reisephase beginnt kurz nach dem Start, nachdem sich das Raumfahrzeug von der Rakete getrennt hat. Das Raumschiff verlässt die Erde mit einer Geschwindigkeit von etwa 24.600 mph (etwa 39.600 km/h). Die Reise zum Mars dauert etwa sieben Monate und etwa 300 Millionen Meilen (480 Millionen Kilometer). Während dieser Reise haben die Ingenieure mehrere Möglichkeiten, die Flugbahn des Raumfahrzeugs anzupassen, um sicherzustellen, dass seine Geschwindigkeit und Richtung für die Ankunft am Jezero-Krater auf dem Mars optimal sind. Die erste Anpassung der Flugbahn des Raumfahrzeugs erfolgt etwa 15 Tage nach dem Start.

Raumschiffe werden genauso wie Kometen oder Asteroiden ohne Treibstoff in ihren Umlaufbahnen weiterreisen. Die Ausnahme ist, dass Raumfahrzeuge im niedrigen Orbit vom oberen Rand der Atmosphäre beeinflusst werden und alle paar Monate einen leichten Schub benötigen.

Raumschiffe brauchen Treibstoff, um ihren Kurs zu ändern oder vom Boden ins All und zurück zu fliegen. Typischerweise lassen sie ihre Motoren nur wenige Minuten laufen und segeln dann Monate oder Jahre lang. Kometen, Asteroiden und Planeten ändern ihre Richtung nicht wirklich sehr, außer wenn sie an etwas mit genügend Schwerkraft vorbeikommen, um sie umzulenken (was Raumschiffe oft auch tun, um Treibstoff zu sparen).

Wenn auf ein Objekt keine Kräfte wirken würden, sagt uns das erste Newtonsche Gesetz, dass ein stationäres Objekt stationär bleiben würde und ein sich bewegendes Objekt sich weiterbewegen würde. Ein sich bewegender Komet oder Asteroid bewegt sich also weiter.

Wenn eine Kraft auf ein Objekt einwirkt, sagt uns Newtons zweites Gesetz im Wesentlichen, dass das Objekt beschleunigt, verlangsamt und/oder die Richtung ändert. Raketen nutzen dies aus, um zu Beginn ihrer Mission zu beschleunigen, die Richtung für Kurskorrekturen zu ändern und am Zielort langsamer zu werden. Sie brauchen Treibstoff, um diese drei Dinge zu tun; Meistens segeln sie jedoch einfach wie Kometen und Asteroiden.

Die Schwerkraft der Sonne, Planeten und Monde sind weitere Kräfte, die auf Objekte im Weltraum einwirken können. Allerdings ist die Schwerkraft im Weltraum normalerweise eher schwach, sodass ihre Auswirkungen allmählich erfolgen. Das Objekt wird langsam beschleunigen, verlangsamen und/oder die Richtung ändern, wodurch ein gekrümmter Pfad entsteht. Aber die Schwerkraft, die ein Objekt im Weltraum zum Stillstand bringt, ist nicht etwas, was die Schwerkraft tut.

Kometen, Asteroiden und Raumfahrzeuge, die sich in Bewegung befinden, bleiben also in Bewegung, obwohl sie sich entlang der durch die Schwerkraft erzeugten gekrümmten Bahn bewegen. Raketentreibstoff wird benötigt, um das Raumfahrzeug in Bewegung zu setzen, Kurskorrekturen vorzunehmen und am Zielort langsamer zu werden, aber während des größten Teils der Reise, wenn das Raumfahrzeug ausrollt, wird kein Treibstoff benötigt.

Wie andere Antworten gesagt haben, müssen sie dies nicht tun, um die Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten.

Bereits im 17. Jahrhundert entdeckte Isaac Newton die Mathematik für die Bewegung von Objekten, die Beobachtungen entsprach, insbesondere die Bewegung von Objekten im Raum, wo es keine Reibung gibt. Wir nennen sie Newtons Bewegungsgesetze.

Newtons erstes Gesetz besagt, dass Sie nur eine Kraft aufwenden müssen, um Ihre Geschwindigkeit zu ändern , nicht um mit der gleichen Geschwindigkeit fortzufahren.

Warum brauchen Raumfahrzeuge, die das Sonnensystem erforschen, Triebwerke jeglicher Art?

Das Problem ist, wie genau Sie Ihre Flugbahn starten können. Die Genauigkeit, die erforderlich ist, um dorthin zu gelangen, ist buchstäblich nicht messbar. Infolgedessen sind einige Kurskorrekturen im Weg erforderlich. Sie sind normalerweise klein, aber sie werden immer passieren.

Aber was ist mit Ionentriebwerken und VASIMR und solchen Dingen, die die Fortbewegung im Sonnensystem beschleunigen sollen?

Der Schlüsselteil dieser Frage ist "beschleunigen". Sie könnten einfach einen einzigen großen Beschleunigungsschub geben und Ihr Raumschiff dann im Grunde bis zum Ziel rollen lassen, indem Sie nur die Flugbahn leicht anpassen. Das haben wir bisher getan.

Wir entdecken und entwickeln jedoch eine Reihe von Triebwerkstechnologien, die sehr geringe Kräfte über einen langen Zeitraum aufbringen können, ohne viel Treibstoff zu benötigen. Sie werden bereits zur Höhenanpassung von Satelliten verwendet, wo die winzige Reibung der äußeren Atmosphäre ihre Umlaufbahnen langsam verschlechtert. Die Idee für längere Reisen ist, dass das Anwenden einer kleinen Kraft über einen langen Zeitraum Sie schließlich auf höhere Geschwindigkeiten bringen kann, als Sie mit einem einzigen starken Beschleunigungsschub erreichen könnten. Ein Ferrari, der 4 Sekunden lang stark beschleunigt, würde bis zu 60 Meilen pro Stunde erreichen. Das kleine Fließheck Ihrer Großmutter beschleunigt viel langsamer, aber es kann bequem bis zu 100 Meilen pro Stunde erreichen, wenn Sie es lange genug geben. So kommen Sie schneller ans Ziel. . Natürlich gibt es im Weltraum keine Bremsen,

Wie wäre es also mit The Expanse ? Das soll wirklich genau sein.

Sie verwenden das gleiche Prinzip, indem sie eine kontinuierliche Kraft anwenden, um sie schneller dorthin zu bringen. Sie werden feststellen, dass die Raumschiffe sich von einem Ende zum anderen drehen und dass ihre Abgasfahne oft in die entgegengesetzte Richtung zu ihrem Ziel weist, weil sie auf dem Weg dorthin verzögert werden.

Interessanterweise löst ihr (fiktiver) Antrieb auch ein Standardproblem der Raumfahrt - wie man damit umgeht, keine Schwerkraft zu haben. Unser Körper kommt damit nicht gut zurecht, und die ISS hat dafür eine Reihe komplizierter Übungssysteme. Ein üblicher Vorschlag besteht darin, das Raumfahrzeug zu drehen, um eine Zentripetalkraft zu erzeugen, die der Schwerkraft entspricht. Sie werden das in all diesen SF-Filmen mit Raumstationen mit Ringen sehen. (Und was sie übrigens meistens falsch machen, ist, dass die Außenfläche des Rings der Boden ist. Sie sehen oft Fenster darin und Leute, die hinausschauen. Nein.) Das Problem hier ist, dass Kurskorrekturen aus einem Trudeln gemacht werden Schiff ist mathematisch schwer.

Es gibt jedoch eine andere Option. Die Schwerkraft ist nur eine Kraft. Wenn Sie Ihr Triebwerk kontinuierlich laufen lassen, um eine Beschleunigung von 1 G bereitzustellen, fühlt es sich wie zu Hause an und die Rückseite des Raumschiffs ist "unten". Wir haben noch kein Triebwerk, das dies kann und einen akzeptablen Kraftstoffverbrauch beibehält, aber der wissenschaftliche Teil davon ist solide. Es ist die Existenz dieses Triebs, die es zu Science-Fiction macht. Ironischerweise macht The Expanse nicht die Tatsache falsch, dass es Schwerkraft hat, sondern Dinge schweben zu lassen, als ob es keine Schwerkraft gäbe!

Der Weltraum ist größtenteils leer, daher gibt es nichts, was ein Raumschiff aufhält oder verlangsamt, bis es auf einen Orbitalkörper trifft. Es ist so ziemlich so, als würde man einen Ball ins Vakuum werfen. Es gibt einfach keinen Grund, damit aufzuhören.

Auf der richtigen Flugbahn könnte ein Raumschiff ewig reisen („Küste“).

Im Weltraum brauchen Sie nur Treibstoff, um Ihre Geschwindigkeit zu ändern. Das ist auch der Grund, warum die „Kilometerleistung“ bei Raumschiffen mit „Delta-v“ angegeben wird, also der gesamten Geschwindigkeitsänderung, die man mit den verbleibenden Treibstoffreserven erreichen kann. Raumschiffe brauchen nur Treibstoff für den ersten Start, Kurskorrekturen und zum Verlangsamen am Zielort.

Hier ist ein besseres Verständnis der beteiligten Physik erforderlich, sowohl in der Ausgangsfrage als auch in vielen der obigen Antworten, die meiner Meinung nach das Problem nicht angemessen angesprochen haben. Objekte im Weltraum umkreisen die größte nahe gelegene Gravitationsquelle (obwohl Kräfte von anderen entfernten Objekten immer noch eine Rolle spielen). Planeten und Kometen umkreisen die Sonne in heliozentrischen Umlaufbahnen, während die meisten Satelliten, die die Erde umkreisen (einschließlich des Mondes und einiger Weltraumstaub), sich in geozentrischen Umlaufbahnen befinden.

Die meisten Umlaufbahnen sind bis zu einem gewissen Grad elliptisch: Umlaufbahnen wie die der Erde um die Sonne sind meist kreisförmig, während Kometen typischerweise stark elliptisch sind.

Es ist bequemer, bei der Untersuchung von Umlaufbahnen ein Polarkoordinatensystem zu verwenden. Weitere Einzelheiten finden Sie hier , die Grundlagen sind jedoch wie folgt:

Betrachtet man beispielsweise ein bestimmtes Objekt (z. B. die internationale Raumstation), sind zwei Kräfte für die Krümmung der Umlaufbahn verantwortlich. Nämlich:

1. Eine normale Kraft. Dies ist die Erdbeschleunigung und wird als gerade Linie zwischen dem Satelliten und der Erde behandelt. Es ist diese Kraft, die dafür verantwortlich ist, dass sich die Umlaufbahn um den Körper in seinem Zentrum krümmt.

2. Eine Tangentialkraft. Das ist in Fahrtrichtung.

Bei einem von der Erde gestarteten Satelliten beschleunigt die Rakete zunächst senkrecht von der Oberfläche. Doch kurz nach dem Start krümmt sich die Rakete, bis sie (im All) parallel zur Erdoberfläche fliegt. Es beschleunigt dann weiter, bis die Tangentialgeschwindigkeit hoch genug ist, um zu verhindern, dass es auf die Erde zurückfällt. Typischerweise werden die Triebwerke im Orbit abgeschaltet: Das Orbiten ist ausschließlich auf die Erhaltung des Impulses zurückzuführen: Ich werde unten darauf eingehen, warum dies nicht ganz richtig ist, aber das ist für den Moment ausreichend.

Wenn die Rakete weiter beschleunigt (aufgrund des Triebwerksschubs), wird die Umlaufbahn um die Erde elliptischer, bis sie schließlich Fluchtgeschwindigkeit erreicht und schnell genug fliegt, um der Erdumlaufbahn zu entkommen und heliozentrisch zu werden. Sobald die Sonne umkreist ist, werden die Motoren wieder abgeschaltet: Die Umlaufbahn ist wieder nur auf die Erhaltung des Impulses zurückzuführen.

Ein solcher Satellit würde die Sonne umkreisen, aber mit einer Umlaufbahn, die der der Erde sehr ähnlich wäre. Wenn der Satellit / die Sonde dann zu einem anderen Planeten (z. B. dem Mars) reisen möchte, wird er erneut beschleunigt (Motoren), um die Umlaufbahn zu vergrößern, bis er nahe genug am Mars ist, um von der Schwerkraft dieses Planeten beeinflusst zu werden. Um den Mars tatsächlich zu umkreisen oder auf ihm zu landen, muss es dann langsamer werden (normalerweise durch Drehen, bis die Triebwerke nach vorne zeigen, oder durch Verwendung von Retro-Raketen), bis es in eine Marsumlaufbahn eintritt. Vielleicht gibt es hier eine bessere Erklärung (mit Bildern) .

Das erklärt an dieser Stelle hoffentlich die größeren Himmelskörper: Sowohl Planeten als auch Kometen umkreisen die Sonne, obwohl letztere meist stark elliptische Bahnen haben. Die "gekrümmte" Natur beider Umlaufbahnen ist vollständig auf die Schwerkraft der Sonne zurückzuführen; weder Planeten noch Kometen brauchen Schub, um ihren Weg fortzusetzen.

Ähnlich wie bei Raketen/Satelliten/dem Space Shuttle ist kein zusätzlicher Motorschub erforderlich, um die Erde weiter zu umkreisen: Alle Filme, die Raumschiffe mit Motorglühen/Flammen zeigen, sind nur für Spezialeffekte da (es sei denn, das Fahrzeug passt tatsächlich seine Umlaufbahn an).

Wie ich oben erwähnt habe, vernachlässigt diese Erklärung einen Faktor: den Luftwiderstand. Um die meisten Planeten (insbesondere die Erde) gibt es eine Atmosphäre, die aus Gasteilchen besteht. Im Fall der Erde wird „Raum“ typischerweise als etwa 100 km über der Oberfläche definiert (die Kármán-Linie ), jedoch ist der Übergang von „Atmosphäre“ zu „Weltraum“ keine harte Linie; atmosphärische Partikel rund um die Erde existieren bis zum Rand der Thermosphäre, etwa 690 km über der Oberfläche. Dies liegt tatsächlich über der Umlaufbahn des Mondes und weit über der Höhe der meisten geozentrisch umlaufenden Satelliten (wie der ISS).

Die Bedeutung davon ist, dass der Satellit bei seiner Umlaufbahn mit diesen atmosphärischen Partikeln kollidiert. Diese Kollisionen erzeugen Luftwiderstand, verringern langsam die Tangentialgeschwindigkeit und bewirken, dass die Umlaufbahn langsam zerfällt, bis sie wieder in die Atmosphäre eintritt. Dies ist der Grund, warum Satelliten schließlich auf die Erde zurückfallen: Der erste künstliche, von Menschenhand geschaffene Satellit (Sputnik 1) blieb nur etwa 3 Monate im Weltraum, bevor er verbrannte und wieder in die Atmosphäre eintrat.

Hier liegt also der Vorbehalt: Alle Satelliten um die Erde (unterhalb von etwa 690 km) erfahren Luftwiderstand und haben abnehmende Umlaufbahnen. Im Fall der ISS (die ungefähr 400 km entfernt umkreist) zerfällt die Umlaufbahn, und daher benötigt die Station regelmäßig einen „Schub“, um im Weltraum zu bleiben. Dieser Schub wurde früher vom Space Shuttle durchgeführt, bevor es ausgemustert wurde: Nachdem das Shuttle an die Station für Besatzungs-/Versorgungstransfers angedockt hatte, zündete es normalerweise seine Triebwerke, um diesen Schub bereitzustellen, um die ISS in einer stabilen Umlaufbahn zu halten. Dann würde es sich lösen und zur Erde zurückkehren (unter Verwendung seiner Triebwerke für eine Nachverbrennung).

Ein Teil der jüngsten Pläne zur Außerbetriebnahme der ISS war darauf zurückzuführen, dass es keinen geeigneten Schlepper gab, um sie nach der Stilllegung des Shuttles im Orbit zu halten: Einer meiner Kollegen promovierte über die Analyse, wie die ISS beim Wiedereintritt verglühen würde.

Das einzige Mal, dass ein Raumschiff seine Triebwerke im Weltraum einsetzen muss, ist a) seine Umlaufbahn zu ändern/zu einem anderen Planeten zu fliegen oder b) den atmosphärischen Widerstand zu überwinden, um zu verhindern, dass die Umlaufbahn zerfällt.

Den Rest der Zeit rollt es mit ausgeschalteten Motoren.

Als ein letzter Punkt; Der Weltraum oberhalb von 690 km ist nicht völlig leer: Sonnenpartikel und Staubpartikel sind im gesamten Sonnensystem vorhanden, bis über die Umlaufbahn von Pluto hinaus (siehe Heliosphäre ). Sowohl Voyager 1 als auch 2 haben diese Region verlassen. So werden sogar Kometen einen gewissen (vernachlässigbaren) Luftwiderstand erfahren: Ich schließe diesen Punkt ein, dass der „Raum“ der Vollständigkeit halber nicht vollständig leer ist.

Hier gibt es schon viele gute Antworten! Aber um es zusammenzufassen:

Ihr Raumschiff bewegt sich weiter. Es bewegt sich einfach nicht dorthin, wo Sie es möchten.

Im Weltraum gibt es sehr wenig Luft oder Reibung, um irgendetwas zu verlangsamen. Ein Objekt, ob es nun ein Stein, ein Raumschiff oder ein Planet ist, bewegt sich so schnell weiter, wie es sich schon immer bewegt hat, obwohl die Schwerkraft es wie alles andere herumziehen könnte.

Wenn Ihr Raumschiff am Mond vorbeifliegt und dann kein Benzin mehr hat, heißt es „oops“. Das Raumschiff bewegt sich einfach weiter. Das Raumschiff würde Treibstoff brauchen, um sich umzudrehen und seine Blaster in die entgegengesetzte Richtung abzufeuern. (Die Schwerkraft könnte stark genug sein, um es zurückzuziehen, aber diese Diskussion ist detaillierter, als wir hier brauchen.)

Es gibt Ausnahmen: Wenn Sie sich in einer Umlaufbahn um die Erde befinden, kann eine sehr, sehr kleine Luftmenge dort oben die Geschwindigkeit Ihres Schiffes langsam verringern. Daher müssen sie ihre Triebwerke ab und zu abfeuern , um ihre Geschwindigkeit (und Höhe, wenn Sie sich mit der Orbitalmechanik auskennen) beizubehalten, aber sie verbrauchen tatsächlich nicht die ganze Zeit Treibstoff.

Die Erde umkreist die Sonne. Wenn Ihrem Raumschiff weit weg von der Erde das Benzin ausgeht, wird es wahrscheinlich auch Äonen lang um die Sonne kreisen (oder möglicherweise dem Sonnensystem entkommen).

Scheint zwei primäre Faktoren.

Die künstlichen Raumschiffe bewegen sich typischerweise in Umlaufbahnen mit sehr geringer Höhe, oft dort, wo es immer noch einen erheblichen Luftwiderstand gibt. Die Asteroiden befinden sich in viel größeren Umlaufbahnen, normalerweise um die Sonne, kommen Planeten nie zu nahe und bewegen sich mit viel höheren Geschwindigkeiten. Denken Sie an Voyager-Sonden.

Darüber hinaus können Asteroiden und Kommentare viel massiver und dichter sein und einen höheren ballistischen Koeffizienten haben.