Was ist der sparsamste Weg aus dem Sonnensystem?

Ich verstehe, dass wir mit der aktuellen Technologie nicht einfach eine gerade Linie aus dem Sonnensystem herausfliegen können, aber welcher Ausweg würde am wenigsten Treibstoff benötigen?

Derzeit ist die Navigation durch das Sonnensystem ein Tanz um die Planeten mit Schleudern, Schwerkraftunterstützung und dergleichen.

Die Flugbahn der Bodentour von Voyager 2 „benutzte“ die ersten drei der vier großen Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun, aber dies wurde zeitlich optimiert und endete mit weit mehr als der heliozentrischen Fluchtgeschwindigkeit.

Nehmen wir stattdessen an, das Ziel der Übung wäre es, mit dem minimalen Treibstoff oder Delta-v, beginnend mit LEO, mit viel mehr zeitlicher Flexibilität kaum eine heliozentrische Fluchtgeschwindigkeit zu erreichen, sagen wir ungefähr 100 Jahre vom Start bis zum Erreichen der Fluchtgeschwindigkeit (C3 = 0). . Angenommen, Sie können mit der optimalen Konfiguration der Planeten innerhalb ihrer Umlaufbahnen beginnen.

Wie würde diese Flugbahn aussehen? Würde es immer noch alle vier dieser Planeten verwenden, oder könnten Sie mit weniger auskommen? Wäre es sinnvoll, nach innen zu schauen und stattdessen die vier Gesteinsplaneten zu verwenden?

Als Nebenfrage: Würde es immer helfen, noch mehr Planeten auf dem Weg nach draußen zu haben?

Voyager 2 Große Tour

oben: Voyager 2 Grand Tour. Quelle

unten: Voyager 2 Grand Tour Heliozentrische Geschwindigkeit. Quelle

Voyager 2 Grand Tour Heliozentrische Geschwindigkeit

Wo würdest du gerne außerhalb des Sonnensystems hingehen?
Richtung . "Weg" impliziert einen "Weg der Mittel", IMO. Was Gezeiteneinflüsse auf eine Maschine von planetarischem Maßstab nutzen würde. Spritverbrauch: null.
Dies ist die zweite Frage in ein paar Tagen über die Flucht aus dem Sonnensystem. Ich frage mich, ob es etwas Bestimmtes gibt, worüber ich mir Sorgen machen muss ...
Ich verstehe immer noch nicht, was mit dem GIF nicht stimmt , außer dass es nicht zeigt, wie die Sonne in der Ebene der Milchstraße auf und ab geht.
@DavidHammen Ich habe einige Formulierungen und einige relevantere Grafiken hinzugefügt. Viele von uns können immer noch davon profitieren, daran erinnert zu werden, was tatsächlich kinematisch in der Grand Tour passiert ist. Wie sieht diese Formulierung aus?
@uhoh sieht wunderschön aus.
Der sparsamste Weg aus dem Sonnensystem heraus ist kein Brennstoff. Verwenden Sie ein Sonnensegel.

Antworten (3)

Der derzeit treibstoffeffizienteste Weg, das Sonnensystem zu verlassen, besteht darin, in eine Flugbahn zu starten, die (wie die für Gallileo verwendete) durchaus eine oder mehrere Schwerkraftunterstützungen von der Erde oder der Venus beinhalten kann, die Sie aber schließlich zum Jupiter bringt. Wenn Sie zum Jupiter gelangen können, können Sie dies mit ziemlicher Sicherheit so tun, dass Sie eine Schleuder in eine solare Fluchtbahn bringen. Begegnungen mit anderen Planeten danach sind nur das "Sahnehäubchen" (Sie gelangen in eine schnellere Fluchtbahn) und wie bei allen Gravitationsschleudern gibt es ein Problem mit abnehmender Rendite. Je schneller du fährst, desto weniger gut tun sie dir. Wie auch immer, das Problem ist, wie gesagt, im Grunde dasselbe wie das Erreichen des Jupiter.

Der Trident-Missionsvorschlag veranschaulicht eine solche Flugbahn. Der erste Start erfolgt in eine Venus-Transferbahn. Danach nutzt es die Schwerkraftunterstützung bei Venus, Erde (zweimal) und Jupiter, um Neptun ohne nennenswerten weiteren Kraftstoffverbrauch und mit einer Geschwindigkeit zu erreichen, die es sicherlich aus dem Sonnensystem herausholen wird.

Eine verwandte Frage ist, wie man das Sonnensystem so schnell wie möglich für eine bestimmte Brennstoffzufuhr (äquivalent zu einem bestimmten Gesamt-Delta-V) in Betrieb nehmen kann. Du fängst immer noch an, indem du zum Jupiter gehst. Dann nutzen Sie die Schwerkraft des Jupiter, um Sie in eine möglichst energiegeladene Umlaufbahn zu bringen und so nah an der Sonne vorbeizukommen, wie Ihre Systeme überleben können. Dort angekommen verbrennen Sie Ihren gesamten verbleibenden Treibstoff und fahren dann weiter. Auf dem Weg nach draußen magst du vielleicht ein wenig von Begegnungen mit Jupiter und/oder Saturn profitieren, aber du bewegst dich so schnell, dass es nicht wirklich wichtig ist.

Die Thousand AU-Studie geht davon aus, dass Sie mit dieser Technik und einer großen aktuellen Trägerrakete mit einer Geschwindigkeit von vielleicht 10-15 AE/Jahr aus dem inneren Sonnensystem austreten könnten. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass Sie in jede gewünschte Richtung aussteigen können. mehr oder weniger.

+1, das würde davon abhängen, wie nahe die Venus der Erde ist. Wenn der Maßstab des GIFs korrekt ist und Sie eine gerade Linie verwendet haben, was wäre der schnellste Ausweg?
@Muze Überprüfen Sie die Flugbahn der Parker-Sonnensonde, außer am nächsten Annäherungspunkt, anstatt Wissenschaft zu betreiben, würden Sie eine Verbrennung machen. Ich würde jedoch gerne die tatsächlichen Zahlen sehen, wenn ein bestimmtes Fahrzeug und ein bestimmtes Perigäum gegeben sind.
Wenn Sie aus irgendeinem Grund überhaupt keine Gravitationsbrunnenmanöver durchführen möchten, möchten Sie tangential zur Erdumlaufbahn starten, um den größtmöglichen Nutzen aus der Umlaufgeschwindigkeit der Erde zu ziehen. Sie sollten um Mitternacht starten, damit die Rotationsgeschwindigkeit der Erde ebenfalls hinzukommt. Aber das ist immer noch viel schlimmer, als durch eine enge Sonnenbegegnung zu gehen
@SteveLinton Ich werde das noch einmal ausführlich lesen, danke.
@Muze Was der schnellste Ausweg ist, ist mit ziemlicher Sicherheit nicht der sparsamste. Venus ist der Ort, an den wir mit der geringsten Energie gelangen können, und sobald Sie eine andere Welt erreichen, können Sie entkommen, indem Sie Billard spielen - aber das ist ein langsamer Prozess, es sei denn, alles ist ordentlich für Sie ausgerichtet, wie bei den Voyager-Sonden.
Wie wäre es mit der Option Voyager/Grand Tour, bei der Ihrer Gravitationsunterstützung von Jupiter die von Saturn, Uranus und Neptun folgt? AFAIK, die Voyager verbrauchten keinen Treibstoff (außer einer kleinen Menge für Kurskorrekturen in der Mitte), nachdem sie aus der Erdumlaufbahn geboostet waren. Der Weg zum Jupiter über Venus/Erde-Assists könnte ihn noch sparsamer machen.
@Muze, Wenn Sie denken, dass der effizienteste Weg eine "gerade Linie" wäre, dann sind Sie ziemlich weit davon entfernt zu verstehen, wie sich Objekte im Sonnensystem bewegen. Weit genug, dass die Art von Antworten, die Sie auf einer Website wie dieser finden, wahrscheinlich weniger als hilfreich sein werden. Sie brauchen etwas Buchlernen oder etwas Klassenzimmerlernen. Viel Glück!
@jamesqf Es hängt alles davon ab, wie viel Delta-V Sie haben. Wenn Sie mit genügend Treibstoff im Tank zum Jupiter gelangen, möchten Sie diesen Treibstoff so nah wie möglich an der Sonne verwenden, also verwenden Sie Jupiter, um Sie auf eine hyperbolische Umlaufbahn zu bringen, die die Sonne (sehr schnell) streift, und verwenden Sie Ihren Treibstoff dort beschleunigen. Eine Schwerkraftunterstützung von einem oder mehreren der Riesenplaneten auf dem Weg nach draußen wäre das Sahnehäubchen, aber je schneller Sie bereits unterwegs sind, desto weniger nützlich ist das.
@jamesqf Aus Wikipedia : "Die besondere Ausrichtung tritt alle 175 Jahre auf."
@JollyJoker: Stimmt, aber das OP hat nach dem effizientesten Kurs gefragt, nicht nach einem, der sofort genommen werden kann :-)
@Steve Linton: Aber ist es am sparsamsten, Kraftstoff zu haben, der in Sonnennähe verbrennt? Ich kann sehen, dass es schneller wäre, aber die Grand Tour (oder auch nur Jupiter-Saturn) verwendet nur Treibstoff, um aus der Schwerkraft der Erde heraus zum Jupiter zu gelangen.
@SteveLinton, eigentlich willst du irgendwann vor Mitternacht starten. Die Schwerkraft der Erde wird Ihre Flugbahn biegen, und Sie möchten auf einem Pfad landen, der die Erdumlaufbahn tangiert. (Das genaue Timing hängt von Ihrem Schub-zu-Gewicht-Verhältnis und Ihrer Endgeschwindigkeit ab.)
@jamesqf Ja, ich denke, wenn Sie die Frage wörtlich nehmen, wie sie gestellt wird - wie Sie das Sonnensystem (was auch immer das bedeutet) mit dem geringsten Treibstoff verlassen können, warten Sie wahrscheinlich bis zum genau richtigen Moment, um zur Venus zu starten (möglicherweise nachdem Sie einige Zeit damit verbracht haben). die Schwerkraft des Mondes, um Ihren Apogäum anzuheben) und dann ein paar Jahrzehnte lang Billard spielen, bis Sie endlich eine Jupiter-Begegnung bekommen, die Sie aus dem Sonnensystem werfen kann. Sehr wenig Kraftstoff, aber sehr, sehr langsam.
Nur zur Info, das Original-GIF ist schon lange weg. Ich habe den Wortlaut der Frage verbessert, aber ich denke, dies hat keinen Einfluss auf Ihre Antwort.

Wenn Sie Gravitationsunterstützungen vermeiden möchten, ist der sparsamste Weg aus dem Sonnensystem, von einem Startplatz in den ecuadorianischen Anden nach Osten zu starten, irgendwann vor Mitternacht an einem 3. Januar, wenn es Neumond gibt. Dadurch erhalten Sie den größtmöglichen Nutzen aus der Erdbewegung, wobei nur etwa 12.000 m/s Delta-V über der Fluchtgeschwindigkeit der Erde benötigt werden.

(Grobe Schätzung: Ein Saturn V könnte New Horizons kaum direkt in eine solare Fluchtbahn bringen. Deshalb verwenden wir stattdessen Schwerkrafthilfen.)

Eine Ablehnung funktioniert nicht ganz, da eine einfache Bearbeitung diese Antwort behebt. Es wäre besser, etwa am 3. Januar (Erdperihel) als am 4. Juli (Erdaphel) zu starten. Der Vorteil einer höheren Umlaufgeschwindigkeit überwiegt dank des Oberth-Effekts den Nachteil, tiefer im Gravitationsfeld der Sonne zu sein.
@DavidHammen, bist du dir da sicher? Am Aphel erhalte ich eine Sonnenfluchtgeschwindigkeit von 41174 m/s und eine Umlaufgeschwindigkeit von 29290 m/s für eine erforderliche Nettogeschwindigkeit von 11884 m/s. Am Perihel erhalte ich eine Sonnenfluchtgeschwindigkeit von 42480 m/s und eine Umlaufgeschwindigkeit von 30290 m/s, für eine erforderliche Nettogeschwindigkeit von 12118 m/s. Die verringerte Fluchtgeschwindigkeit aus einer höheren Umlaufbahn überwiegt geringfügig den Verlust der Erdumlaufgeschwindigkeit.
@ Mark - Ziemlich positiv. Ich stimme allen Ihren Zahlen bis auf wenige Meter pro Sekunde zu, mit Ausnahme der Fluchtgeschwindigkeit am Aphel, die mit etwa 600 m / s niedrig ist. Schauen Sie sich außerdem die vis viva- Gleichung an, v 2 = μ ( 2 R − 1 A ) . Da Fluchtgeschwindigkeit v e Ist v e 2 = 2 μ R , eine andere Möglichkeit, die vis viva -Gleichung zu schreiben, ist v e 2 − v 2 = μ A . Der Unterschied zwischen Fluchtgeschwindigkeit und Umlaufgeschwindigkeit ist somit v e − v = μ / A v e + v . Periapsis maximiert beides v e Und v und minimiert daher die Differenz zwischen Fluchtgeschwindigkeit und Umlaufgeschwindigkeit.
Nun, wie kann man der Schwerkraft von Sol insgesamt entkommen?
@ DavidHammen, ich habe nachgerechnet und eine Aphel-Fluchtgeschwindigkeit von 41 7 74 erhalten. Sieht so aus, als hätten Sie Recht.

Von der Westseite der Erde zu starten und einen Schleuderkurs an der Sonne für eine Umdrehung von etwa 90 * zu nehmen, dann eine weitere Schleuder an Jupiter vorbei zu machen (wobei Ihr gesamter Treibstoff verbrannt wird), wäre meiner Meinung nach der effizienteste Weg, dies zu tun. Ionentriebwerke und Spiegel wären auch die effizienteste Antriebsmethode, aber ich würde empfehlen, gewöhnliche LOXY-Triebwerke zu verwenden, um in die Umlaufbahn zu gelangen, und dann die Ionentriebwerke, um die Umlaufbahn zu brechen und in Richtung Sonne zu fliegen. Es würde funktionieren, wenn Sie heute Ihre Rakete entlang der Umlaufbahn der Planeten starten würden ...

Ein anderer Weg, dies zu tun (wieder mit Hilfe der Sonne), wäre jedoch, in LEO zu gehen und dann Ihre Periapsis auf die „Nachtseite“ der Erde zu stellen. Lassen Sie dann in der Periapsis Ihre Motoren auf Hochtouren laufen, bis die andere Seite Ihrer Umlaufbahn auf die gegenüberliegende Seite von Sol geht, und fahren Sie dann aus, bis Sie den Grund erreichen, und gehen Sie wieder auf Hochtouren. Wenn Sie mit dem Beschleunigen fertig sind, sollte sich Ihre Apoapsis weit außerhalb des Sonnensystems befinden.Sol-Beschleunigung

Es gibt keine Möglichkeit, das Sonnensystem "direkt" zu verlassen, ohne beschleunigt und abgebremst zu werden. Gravitationskräfte werden immer auf Sie einwirken, und bis Sie den Punkt erreichen, an dem die Schwerkraft des nächsten extrasolaren Körpers stärker ist als die der Sonne, werden Sie nicht außerhalb des Sonnensystems sein.

Lichtdruck in der Entfernung der Erde von der Sonne ist ungefähr 6 μ P A . Ein Aluminiumsegel mit einer Dicke von 50 nm (viel dünner und es wäre transparent) hat eine Flächendichte von etwa 1.3 × 10 − 4 k G / M 2 würde also ohne nutzlast beschleunigen 4 × 10 − 2 M / S 2 (ca. 4 Milligravitationen). Wenn es die Umlaufbahn des Mars erreicht (wenn man die Schwerkraft der Sonne ignoriert), würde es sich auf etwas in der Größenordnung von bewegen 100 k M / S . Also ja, ein sehr dünnes Sonnensegel ohne Takelage oder Nutzlast könnte dem Sonnensystem entkommen.
@SteveLinton, das Schöne an Sonnensegeln ist, dass sowohl die Schwerkraft als auch der Lichtdruck als umgekehrtes Quadrat der Entfernung abfallen. Wenn Sie ein Segel haben, das eine Beschleunigung in einer Entfernung von der Sonne liefert, wird es eine Beschleunigung in allen Entfernungen von der Sonne liefern.
@SteveLinton das ist eine andere Antwort. Daumen hoch.
@Mark: Nicht alle Entfernungen, vielleicht bis zur Heliopause, nehme ich an?
@sampathsris, bis andere Sterne anfangen, sich daran zu stören. Die meiste Kraft auf ein Sonnensegel kommt vom Sonnenlicht, nicht vom Sonnenwind, und das hört bei der Heliopause nicht auf.
Oh ja. Leichtes Segel. Ich fühle mich jetzt dumm. :D
@Markieren. Das Verhältnis von Lichtdruck und Schwerkraft bleibt zwar konstant, aber die absolute Beschleunigung nimmt ab. Es gibt eine maximale Geschwindigkeit, die von einem Lichtsegel erreicht werden kann, das ausschließlich durch Sonnenlicht angetrieben wird, beginnend an einem bestimmten Punkt.
Wenn ich das richtig lese, ist dies definitiv nicht der sparsamste Weg, das Sonnensystem zu verlassen. Mit einem impulsiven Manöver direkt von der Erde zur Sonne zu fliegen, ist deutlich teurer, als einfach direkt auf eine Fluchtbahn zu gehen. Von LEO aus benötigt es ~7 km/s Delta-V, um auf eine Fluchtbahn aus dem Sonnensystem zu gelangen. Um auf einer Bahn zu landen, die der Sonne nahe kommt, dauert es ungefähr 20 km/s.
Dies sollte nicht die akzeptierte Antwort sein. Wie @Kyle feststellte, ist es ohne Schwerkraftunterstützung sehr viel schwieriger, sich der Sonne zu nähern, als einfach dem Sonnensystem zu entkommen. Die Schwerkraft hilft, diese Dynamik zu ändern. Die Antwort von Steve Linton ist in dieser Hinsicht viel besser.
@Kyle Ich spreche davon, das Sonnensystem insgesamt zu verlassen, die Sonnenumlaufbahn zu verlassen, sich von der Schwerkraft aller Körper unseres Sonnensystems zu lösen.
@AndrewMaxwellRockets Das bin ich auch (nur die Flucht zur Erde wäre mit lächerlichen 4 km / s zu erreichen). Um sich der Sonne zu nähern, muss man fast die gesamte Umlaufgeschwindigkeit der Erde loswerden, die nahe bei 30 km / s liegt (die Zahl von 20 km / s ist darauf zurückzuführen, dass ich in einer LEO-Abfahrt gerechnet habe und der Oberth-Effekt in der Nähe der Erde hilft). Um auf eine Fluchtbahn aus dem Sonnensystem zu gelangen , benötigen Sie nur etwa 41% davon (die 7 km / s-Zahl gilt für die gleiche Abfahrt wie oben).
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Was ist der sparsamste Weg aus dem Sonnensystem?
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