Was könnte ein praktikabler Weg der Antriebsforschung sein, um die Mission Delta-V nördlich von 100 km/s anzustreben?

Diese Frage wurde von einigen Kommentaren von mir inspiriert, die ich hier zu einer Antwort hinterlassen habe:

Ist es besser, leistungsfähigere Raketen zu entwickeln, als neue Technologien zu suchen und zu entwickeln?

und damit wiederum sowohl die Frage des OP, wie man eine Forschungskarriere (vermutlich) auf die Entwicklung verbesserter Technologien für den Weltraumantrieb ausrichten kann, als auch die Antwort und Kommentare zu dieser Frage, die darauf hindeuteten, dass wir nicht unbedingt so weit gehen müssten wie inter - Sternenreisen , und mit neuer Physik, und dass eine verbesserte Interplanetarität immer noch sehr gut und nur mit "bestehender Physik" möglich wäre, was mich dazu veranlasste, darauf hinzuweisen, dass es selbst bei interplanetaren Reisen immer noch Probleme geben kann, wenn Sie es wollen schnell genug zu sein, endete in Fragen, die wahrscheinlich einen eigenen Thread verdienen, und hier ist es.

Insbesondere war ich neugierig, welche Art von Technologie erforderlich sein könnte, wenn wir uns anstelle von interstellaren Reisen auf schnelle interplanetare Reisen beschränken, jedoch mit einer maximalen Transitzeit von 30 Megasekunden (**) (etwas unter einer Erde). Jahr oder ein halbes Marsjahr), um zumindest bis zum Pluto(*) zu gelangen, der etwa 6500 g von der Sonne entfernt ist, obwohl in den Kommentaren genügend Raum gelassen wurde, um sich ein vielleicht etwas milderes Szenario des Transits zum Mars genauer vorzustellen mit einer durchschnittlichen Reisezeit von 2 Ms (~ 23 d), mit einer durchschnittlichen Entfernung von 225 Gm (zum Vergleich, aktuelle Missionen dauern durchschnittlich etwa 20 Ms (0,65 Jahre), sodass dies darauf abzielt, den Transit 10-mal schneller zu machen).

Und ich habe einige Berechnungen angestellt, die die Aufteilung in eine 500-km-Konstantbeschleunigungsphase, eine 1-Ms-Reisephase und eine 500-km-Konstantverzögerungsphase beinhalten, um mit der Ankunft auf dem Mars zu enden. Aus der einfachen Geometrie der Bereiche unter den Kurven kann man ersehen, dass, wenn man die gesamte Beschleunigungs-/Verzögerungszeit gleich der Fahrzeit macht,$t_c$, dann die Distanz, die man als Funktion der Reisezeit und der Reisegeschwindigkeit zurücklegt$v_c$Ist

die invertiert werden können, um zu finden$v_c$als Funktion von$t_c$und eine Torentfernung$D_\mathrm{goal}$, was, wenn wir 225 Gm nehmen und a$t_c$von 1 Ms ergibt a$v_c$von 150 km/s als notwendig. Beachten Sie, dass dies ziemlich grob ist, da es Gravitationseffekte im Sonnensystem ausschließt - ich nähere mich als direkter Schuss, da wir weit über den üblichen astrodynamischen Geschwindigkeiten liegen. Da Sie beschleunigen und verlangsamen müssen, bedeutet dies ein Gesamtmissionsbudget von 300 km / s Delta-V für einen solchen Transit und eine Beschleunigung von$0.30\ \mathrm{m/s^2}$oder ungefähr$0.03\ \mathrm{gee}$.

Und außerdem, wenn Sie sich vorstellen, dass ein 100-Mg-Fahrzeug (Megagramm, dasselbe wie Tonnen) angetrieben wird, bedeutet dies, dass ungefähr 30 kN kontinuierlicher Schub oder 3 Tonnen Gravitationsäquivalent für einen Zeitraum von 500 Kilosekunden erforderlich sind, zweimal, ohne Berechnung für jeden beteiligten Raketentreibstoffverbrauch.

Wenn wir uns das Ziel setzen wollten, ein Raumschiff zu entwickeln, das dazu in der Lage ist, was wäre die praktikabelste Option, die ein mutmaßlicher Forscher versuchen könnte, dazu beizutragen? Selbst wenn man das Ziel von 300 km/s außer Acht lässt, was ist mit nur 100 km/s? Aufgrund der Tyrannei der Raketengleichung werden chemische Raketen natürlich nicht funktionieren, aber 30 kN, obwohl viel weniger Schub als eine CR, ist auch viel mehr Schub als viele vorgeschlagene Alternativen, zB Ionenantriebe und Lichtsegel.

Als Beispiel für den letzten Punkt, um 30 kN aus einem Lichtsegel herauszuholen, benötigen Sie eine einfallende Kraft von$F = \frac{P}{c}$daher$P = cF$von etwa 9 TW oder 9000 GW. Bei einer Sonnenkonstante von ca$1\ \mathrm{kW/m^2}$was wird$1\ \mathrm{GW/km^2}$, du brauchst ein$9000\ \mathrm{km^2}$leichtes Segel, ein gutes Stück größer als der US-Bundesstaat Delaware und daher eindeutig ein kolossales Ingenieurprojekt (was sagt man dazu, dass es irgendwann im nächsten Jahrhundert / 3 Gs oder sogar nur für die verbleibende Lebensdauer eines ein aufstrebender oder beginnender Student im typischen Alter von derzeit etwa 18 Jahren (570 Ms), vorausgesetzt, es gibt keine radikalen Durchbrüche bei der Langlebigkeit?) Und selbst wenn Sie Strahlkraft verwenden, um die Segelgröße zu verringern, könnte ein 9-TW-Array für interstellar verwendet werden unbemannte Sondenmissionen und damit sind wir bereits gut im Überlappungsbereich mit interstellaren Reisen, was die Idee, sich auf eine über der anderen zu konzentrieren, zu 100% widerlegt.

Natürlich könnten wir die Zeit entspannen, aber wir wollen immer noch, dass sie deutlich schneller ist – wie bei ganzzahligen Multiplikatoren mit einer Geschwindigkeit von mindestens mehr als 1 – als bestehende chemische Missionen.

In Anbetracht dessen lautet meine letzte Frage, und ich skaliere noch weiter auf einen kleineren Geschwindigkeitspunkt: Gibt es einen praktikablen Forschungspfad, um beispielsweise ein Missions-Delta-V von mindestens 100 km / s oder 50 km / s zu erreichen? Reisegeschwindigkeit bei einer einzigen Betankung (oder sogar externer Stromversorgung) mit einer Anstiegs- und Abfallzeit von vielleicht 1 Ms (XXX) für ein Fahrzeug, das Menschen transportieren kann?

ANMERKUNGEN:

(*) JA, mir ist bewusst, dass die „offizielle“ Definition eines Planeten dies ausschließt, für mich ist es ein Planet, da bin ich mit vielen im New Horizons-Team, und wenn das bedeutet, müssen wir mehr zugeben zum "Club" wie Ceres, Eris usw. um die Stichhaltigkeit aufrechtzuerhalten, dann je mehr Planeten, desto besser, pranger mich an, so viel du willst :g:

(**) 1 Ms, 1 000 000 s, entspricht 11 Tagen und 49,6 Kilosekunden.

(XXX) Das soll jeweils 1 Ms sein , für Ramp-Up/Ramp-Down einzeln , für diesen Technologie-Checkpoint, also wieder entspannter, statt der 0,5 Ms im optimaleren Szenario.