Warum können wir nicht aus dem Weltraum starten?

Wir können aus dem Weltraum starten und sind es in gewisser Weise bereits. Wenn Sie obere Stufen von orbitalen Trägerraketen betrachten, die Raumfahrzeuge in eine höhere Erdumlaufbahn schicken oder sogar der Erdanziehungskraft vollständig entkommen könnten, zünden wir diese wirklich, wenn sie sich bereits im Vakuum des Weltraums befinden. Und abhängig von der Fähigkeit der Trägerrakete und der beabsichtigten Flugbahn können sie bereits die Umlaufgeschwindigkeit erreicht haben oder nicht. Aber Ihre Frage, denke ich, läuft darauf hinaus, was wir normalerweise als Massenwirtschaft bezeichnen ;

Sie sehen, die Gravitationsbeschleunigung in der Umlaufbahnhöhe, in der die Internationale Raumstation die Erde umkreist (was wir Low Earth Orbit oder kurz LEO nennen), beträgt immer noch ungefähr 8,64 m/s² (oder ~ 88 % der Gravitationskraft, die uns auf der Erde hält ). Boden an der Oberfläche) und für umlaufende Körper mit vernachlässigbarer Masse im Vergleich zu dem Mutterkörper, den sie umkreisen, gegeben durch$\mu/r^2$wo Standard Gravitationsparameter $\mu$ist$G\cdot M$, oder das Produkt der Gravitationskonstante $G$und Masse$M$des Zentralkörpers. Um zu verhindern, dass etwas nach dem Start wieder auf die Erde fällt , haben wir wirklich nur zwei Möglichkeiten:

• Starten Sie in einer direkten interplanetaren Flugbahn mit einer hochleistungsfähigen Trägerrakete, die in einer gewissen Höhe die Fluchtgeschwindigkeit der Erde erreicht , gegeben durch$\sqrt{2\mu/r}$. Einfacher ausgedrückt, wir könnten das Fahrzeug auf eine Geschwindigkeit beschleunigen, die darüber hinaus ausreichen würde, um sicherzustellen, dass das Fahrzeug niemals zur Erde zurückkehrt und seiner Schwerkraft gut entkommt, obwohl seine Anziehungskraft immer noch hoch über ihm anhält und mit einem umgekehrten Quadrat abnimmt der Entfernung dazu. An der Erdoberfläche beträgt die Fluchtgeschwindigkeit etwa 11,18 km/s , in LEO-Höhen immer noch etwa 10,83 km/s .

• Starten Sie in eine Zwischenerdumlaufbahn, wo wir das Fahrzeug radial (um die Erde herum) mit einer solchen horizontalen Geschwindigkeit beschleunigen, dass es trotz seiner Anziehungskraft die Erde im freien Fall um sie herum ständig verfehlt . Für die Umlaufbahnhöhe der ISS beträgt die Umlaufgeschwindigkeit etwa 7,66 km/s und ist gegeben durch$\sqrt{\mu/r}$, aber einfach ausgedrückt müssen wir bei Umlaufbahnen die Geschwindigkeit erreichen, bei der die Zentrifugalkraft (weg vom Fokus oder Zentrum der Umlaufbahn) genau gleich der Zentripetalkraft (zum Fokus hin) ist, wobei die Zentripetalkraft die Schwerkraft in dieser Höhe ist und ich habe Ihnen bereits die Zahl für LEO gegeben (und im Link die Möglichkeit, sie für jede Höhe zu berechnen). Wenn Sie die Zentrifugalbeschleunigung bei der ISS-Umlaufzeit (~ 1,55 Stunden oder 0,0107729967 U / min ), die Höhe (~ 412,5 km im Durchschnitt seit Abschluss der Montage ) und den Radius (~ 6.790,6 km von seinem Fokus) berechnen, vielleicht mit einem Online-Zentrifugalkraftrechner wie diesem, werden Sie feststellen, dass es genau den zuvor angegebenen 8,64 m/s² entspricht, aber es hätte ein entgegengesetztes Vorzeichen (dh als Vektor würde es in die andere Richtung zeigen) zur Anziehungskraft der Schwerkraft.

Um diese immensen Geschwindigkeiten zu erreichen, die erforderlich sind, um eine Nutzlastmasse zu umkreisen oder ihr zu entkommen , müssen wir entweder allmählich das aufwenden, was wir Reaktionsmasse nennen (für chemische Raketen wären das ihre Treibmittel), um das Fahrzeug vorwärts zu schieben, indem wir seine Reaktionsmasse nach dem Prinzip von rückwärts beschleunigen gleiche und entgegengesetzte Reaktion von Newtons drittem Bewegungsgesetz und/oder die Nutzlast bereits auf der Erdoberfläche auf eine ausreichende Geschwindigkeit beschleunigen, bevor sie in den Weltraum entlassen wird. Aber letztere – also Massenfahrer oder Weltraumkanonen – haben ein riesiges Problem, dass sie sich zunächst noch durch die dichte Erdatmosphäre bewegen müssen, was einen enormen Luftwiderstand hervorruft .Reibungserwärmung und bilden starke Stoßwellen und Wirbel , die sie destabilisieren und zum Zerfall bringen können. Sie können also sehen, dass die letztere Option in Atmosphären wirklich schwierig zu erreichen ist, ohne den größten Teil der Masse für die Abschirmung des Fahrzeugs oder der Nutzlast aufwenden zu müssen, und dass es sinnvoll wäre, zu versuchen, dies zu minimieren und den Massenanteil der Nutzlast zu maximieren .

Aber wir können nicht wirklich aus dem Weltraum starten, ohne zuerst etwas zum Starten zu haben und etwas, mit dem wir bereits dort starten können. Und hier kommt der Begriff der Massenökonomie ins Spiel. Um Masse von der Erde in die Erdumlaufbahn zu bringen, müssen wir Masse aufwenden, um dorthin zu gelangen. Eine Menge davon, und es ist so frustrierend, dass es oft als die Tyrannei der Raketengleichung bezeichnet wird , die sich auf die Tsiolkovsky-Raketengleichung bezieht, die Leistung von Treibmitteln mit hohem Schub und die Schwierigkeiten, selbst bei Raketeninszenierung etwas in den Weltraum zu heben Raketen würden stufenweise das Eigengewicht von Stufen abwerfen, die beim Aufsteigen der Rakete bereits von Treibmitteln erschöpft sind.

Wenn wir also sowohl etwas zum Starten als auch etwas zum Starten bereits in der Erdumlaufbahn hätten, dann ja, es wäre enorm einfacher. Die ISS hat tatsächlich zwei relativ einfache Startkatapulte , eines, das auf dem japanischen Kibo-Modul installiert ist und als Small Satellite Orbital Deployer (SSOD) bezeichnet wird, und ein weiteres von NanoRacks gebautes CubeSat Deployer , die beide kleine und leichte CubeSat - Satelliten in ähnliche Umlaufbahnen wie die ISS bringen können:

  ^{Eine Reihe von NanoRacks CubeSats, die vom CubeSat Deployer am Ende des japanischen Roboterarms eingesetzt werden. Bild: NASA}

Aber diese CubeSats müssen bereits zur Station geliefert werden, und sie kommen auf herkömmlichen chemischen Raketen. Und die Beschleunigung, die diese Satelliten relativ zur Station von SSDO erhalten, ist winzig, sodass sie nur auf einer ähnlichen Umlaufbahnhöhe wie die der Station eingesetzt werden können. Für alles andere ist die benötigte Energie einfach zu hoch, und die Nutzlasten müssten immer noch einen eigenen Antrieb und damit eine Massenzunahme haben, um später ihre Umlaufbahn kreisförmig zu machen.

Und Space-Shuttle-Orbiter setzten und starteten auch Satelliten, einige mit ihren eigenen Oberstufen, und verließen LEO und nahmen eine interplanetare Flugbahn in Richtung anderer Planeten, wie zum Beispiel das Galileo-Raumschiff , das in LEO transportiert und vom Space Shuttle Atlantis STS-34 gestartet wurde Flug am 18. Oktober 1989:

  ^{Das Galileo-Raumschiff und seine Inertial Upper Stage (IUS) werden vom Space Shuttle Atlantis aus eingesetzt. Bild: NASA}

Und es gibt noch viel mehr darüber zu sagen, also werde ich versuchen, es langsam abzuschließen;

Es gab viele Vorschläge, orbitale Treibstoffdepots zu errichten und ihnen vielleicht sogar Reaktionsmasse von gravitativ weniger harten Mätressen wie dem Mond zu liefern. Die erforderliche Geschwindigkeitsänderung (Delta-v) für den Start vom Mond zum LEO beträgt nur etwa 1,87 km/s (ohne Orbitalzirkularisierung), und wenn wir das mit etwa 9,3 - 10 km/s vergleichen, die für den Start zum LEO von der Erdoberfläche erforderlich sind , da könnten wirklich riesige Masseneinsparungen drin sein. Aber das bringt seine eigenen Probleme mit sich, und was vielleicht noch wichtiger ist, wir haben dort derzeit keine Infrastruktur, um dies zu unterstützen, und es werden viele konventionelle Starts erforderlich seinum an diesen Punkt zu gelangen, und wir werden unsere Satelliten wahrscheinlich in absehbarer Zeit immer noch auf der Erde bauen.

Als Fazit läuft es also wirklich darauf hinaus, wo Ressourcen sind und wie viel Aufwand erforderlich ist, um sie dort zu platzieren, wo wir sie haben möchten. Leider befinden sich aus der Perspektive des Delta-V-Budgets strategisch gute Bereitstellungsbereiche im offenen Raum, die ein einfaches (oder einfacheres) Erreichen verschiedener Ziele ermöglichen würden, zu denen wir gehen möchten, in der großen Leere , die frei von Ressourcen ist (es gibt ungefähr nur 5 Protonenteilchen pro Kubikzentimeter im cislunaren Raum), es sei denn, wir platzieren sie dort, also müssen sie auf irgendeine Weise dorthin gebracht werden. Oder man kann irgendwie auf zusätzlich benötigte Ressourcen verzichten und das nutzen, was bereits da ist (also Solarstrom und das entweder direkt mit Sonnensegeln nutzen , oder in Strom umwandeln und für die bereits erwähnten, aber diesmal orbitalen Massenantriebe und Startringe verwenden,strahlbetriebener Antrieb oder alle Arten von fantastischen hypothetischen Antriebsmethoden, die wir uns vorgestellt haben, aber einfach noch nicht da sind). Das bedeutet also vorerst, dass Ressourcen, die für einen Start ins All benötigt werden, oder auch Teile für den Zusammenbau von Startsystemen, zunächst von der Erde aus gestartet werden.

Aber Orbital-Rendezvous, Andocken und sogar der Zusammenbau selbst sind sicherlich machbar, und die ISS ist ein gutes Beispiel dafür, obwohl es frühere Raumstationen gab , von denen einige auch im Orbit aus mehreren vorgefertigten Modulen zusammengesetzt wurden. Um tatsächlich irgendwo anders als die Erdumlaufbahn durch Montage im Weltraum zu erreichen, nun, Apollo-Missionen zum Mond verwendeten die Transpositions-, Andock- und Extraktionsmanöver und das Lunar Orbit Rendezvous . Und in nicht allzu ferner Zukunft erwarten wir, dass die SLS -Missionen (Space Launch System) ähnliche Dinge tun, Besatzungs- und Servicemodule auf einer Trägerrakete und zusätzliche fortschrittliche Antriebs-, Lebensraum- und Landemodule auf einem zusätzlichen Frachtblock startenTrägerraketen starten und später in der Erdumlaufbahn und hoffentlich eines Tages auch um den Mars andocken.

Als weitere Referenz, da Sie erwähnen, dass Sie sich noch in Ihren frühen Studienjahren befinden, kann ich NASA's Basics of Space Flight nicht wärmstens genug empfehlen :

Grundlagen der Raumfahrt ist ein Tutorial, das in erster Linie darauf ausgelegt ist, Betriebsmitarbeitern dabei zu helfen, die Bandbreite der Konzepte im Zusammenhang mit Weltraummissionen zu erkennen und die Beziehungen zwischen ihnen zu verstehen. Es erfreut sich auch bei College- und High-School-Studenten und Lehrkräften sowie bei Menschen überall, die sich für interplanetare Raumfahrt interessieren, großer Beliebtheit.

Ich weiß, dass der größte Teil des Treibstoffs, den wir ausgeben, dafür verwendet wird, der Schwerkraft der Erde zu entkommen.

Das stimmt nicht ganz. Schlimmer noch, es legt eine unangemessene Betonung auf ein Nebenproblem. Ein besserer Weg, es zu verstehen, ist, dass der meiste Kraftstoff verbraucht wird, um das Fahrzeug schnell genug zu machen, um nicht die Erde zu treffen. Eine Rakete einfach 62 Meilen (100 km) weit nach oben zu schicken, braucht nicht allzu viel Treibstoff. Es dort oben zu halten, ist der schwierige Teil.

Der schwierige Teil ist, dass die erdnahe Orbitalgeschwindigkeit 8.000 m/s (8 km/s) beträgt, was, wie Randal Munroe in seinem What-If for Orbital Speed ​​betont, zehnmal schneller ist als eine Gewehrkugel. Siehe diesen Link für eine gut präsentierte Perspektive.

Wir starten aus dem All. Genau das hat zum Beispiel Apollo getan. Sie brachten sich in eine niedrige Erdumlaufbahn und flogen dann von dieser Umlaufbahn zum Mond.

Und die Zahlen dahinter sagen Ihnen, warum dies kein Wundermittel ist:

Der Saturn-V-Stapel hatte eine nasse (mit Brennstoff versorgte) Masse von etwa 3.000 Tonnen. Es könnte etwa 140 Tonnen in LEO verladen. Der Weg zu LEO ist der schwierige Teil.

Ein frühes Konzept für die Apollo-Mission stützte sich auf den Start aus dem Weltraum. Mehrere Nova-Raketen mit 8 F-1-Triebwerken für die erste Stufe wären verwendet worden, um die Teile in eine erdnahe Umlaufbahn zu heben. Nach dem Zusammenbau aller Teile würde der gesamte Stapel aus der Umlaufbahn zum Mond starten. Die Rückkehrkapsel zur Erde würde auf dem Mond landen und von der Oberfläche zur Erde zurückkehren.

Aber mit dem hervorragenden Konzept von John Houbolt reichte ein einziger kleinerer Saturn 5 aus. Der Nova wurde also nie gebaut. Die Verwendung der Mondlandefähre und das Belassen des Kommandomoduls in einer Mondumlaufbahn sparte so viel Gewicht, dass mehrere Novas nicht benötigt wurden.

Nach dem Ende des Apollo-Programms benötigte keine andere Mission so viel Gewicht, dass der Start aus dem All notwendig war. Eine einzige kleinere Rakete als die Saturn V könnte in den fünf Jahrzehnten nach Apollo für alle unbemannten Weltraummissionen verwendet werden. Eine zukünftige bemannte Mars-Landemission muss möglicherweise aus dem Weltraum gestartet werden. Oder eine sanfte Landung eines Pluto-Rover.