Kann man ein Raumschiff mit einem Zug auf dem Mond erwischen?

Es ist eine clevere Umkehrung des alten Railgun-up-a-mountainside-Launcher-Konzepts.

Es gibt ein paar praktische Schwierigkeiten. Zum einen können wir kaum eine feste Eisenbahninfrastruktur bauen, die 400 km/h erreichen kann, geschweige denn 8300. Die meisten aktuellen Magnetschwebebahnen fahren langsamer , und das liegt nicht nur am Luftwiderstand. Es stellt sich heraus, dass ein Vermessungs- und Konstruktionsfehler von 1-2 cm und ansonsten geringfügige Abweichungen in der Magnetstärke zu einer wirklich holprigen Fahrt führen. Es gibt keinen Grund zu erwarten, dass die kinetischen Probleme mit zunehmender Geschwindigkeit abnehmen. Die Wartung wird mit zunehmender Geschwindigkeit auch viel teurer.

Eine weitere große praktische Schwierigkeit ist dieselbe, der man sich beim Abfangen von Raketen gegenübersieht: Zwei sehr schnelle Massen, die sich präzise treffen müssen . 8300 km/h sind 2,31 km pro Sekunde (knapp hinter der Fluchtgeschwindigkeit von 2,38 km/s zurück, also könnte ein Rundungsfehler einen großen, äh, Einfluss haben). Damit ein 1-m-Andockgreifer richtig fängt, müssen beide Fahrzeuge denselben Zielpunkt in einem Abstand von weniger als 0,0004 Sekunden erreichen.

Gehen wir zurück zum Führungsweg. Es muss die Zug-plus-Raumschiff-Kräfte vertikal und horizontal enthalten. Und manchmal kann diese vertikale Kraft einen hohen Impuls haben oder stark oszillierend sein, wenn sich das kombinierte Fahrzeug in den Sekunden nach dem Greifen stabilisiert. Es scheint, als müsste ein großer Teil Ihrer Kraft darauf verwendet werden, den Zug einfach vertikal auf der Führungsbahn gegen diese unerwarteten vertikalen Kräfte an Ort und Stelle zu halten ... damit er nicht durch diesen lästigen Rundungsfehler abgerissen und in den Weltraum gezogen (oder in die Führungsbahn geschmettert) wird im vertikalen Vektor des Raumschiffs.

Schließlich ist das größte Problem, dass es einfach keine Möglichkeit gibt, dieses Ding unter vielen Bedingungen sicher zum Scheitern zu bringen. Jede Art von Führungsbahnversagen wäre katastrophal. Eine Stromunterbrechung während der Fahrt wäre katastrophal. Ein winziger Fehler bei der Messung der Position oder Geschwindigkeit des Raumschiffs würde zu verpassten Treffen (und einer massiven Energieverschwendung) führen ... oder zu einer Katastrophe.

Die größte Herausforderung, die ich sehe, besteht darin, dass Sie ein schwebendes Objekt auf eine Geschwindigkeit beschleunigen, die der Fluchtgeschwindigkeit des Mondes sehr nahe kommt. Dies bringt zwei Probleme mit sich:

• Wenn Sie nicht bremsen, springt der Zug viele Kilometer hoch. Es dauert einige Minuten, bis er wieder mit extrem hoher Geschwindigkeit auf den Boden fällt. Wenn das Schiff kollidiert und dem Zug Schwung verleiht, kann der Zug sogar dem Mond entkommen.
• An einem Planeten festzukleben, während man so nah oder über seiner Fluchtgeschwindigkeit fliegt, erfordert eine unmoralische Menge an nach unten gerichteter Kraft. Sowohl das Schiff als auch der Zug müssen aus einer Unobtanium-Adamantium-Uru-Legierung bestehen.

Warum brauchst du den Zug? Die anderen Antworten machen den sehr guten Punkt, dass selbst der kleinste Fehler zu einer Katastrophe führen würde, selbst wenn alles andere zum Laufen gebracht werden könnte. Aber wenn Sie nicht auf eine improvisierte Mission Impossible-Szene abzielen (in diesem Fall geht alles), dann ist der Zug überflüssig.

Hier ist, was Sie tun könnten: Bauen Sie anstelle einer Magnetschwebebahn mit fester Breite eine Folge von Ringmagneten entlang eines sehr langgestreckten horizontalen Kegels. Geben Sie dem ersten einen Durchmesser von einem Kilometer und machen Sie den letzten etwas breiter als das Raumschiff. Das Schiff fliegt durch die erste, wird leicht abgebremst und sein Kurs in Richtung der Mittelachse korrigiert. Der nächste bremst weiter ab und korrigiert den Kurs wieder, und so weiter. Wenn Sie auf dem letzten sind, ist Ihr Schiff zentriert und langsam genug.

Leider gibt es eine Reihe von Gründen, warum dies immer noch nicht funktionieren würde. Nur ein Magnetfeld mit sinnvoller Stärke über ein großes Volumen zu erzeugen, wäre untragbar. Die Volumenenergie des Magnetfeldes ist$B^2/2\mu_0$, was funktioniert$10^7/8\pi\>\> J/m^3$für 1T-Feld. Berechnung der Gesamtenergie in a$100\:km\times1\:km$cone bleibt dem Leser als Übung überlassen. Genauso wie die Energie, die während der Verzögerung auf das Raumschiff übertragen würde, und die Spannungen auf den Toroiden, und das Ergebnis eines etwas zu außeraxialen Anflugs, und wie die Verzögerung und Kurskorrekturen funktionieren, und. .. Nö. Entschuldige Nein.

Bearbeitung, Bestätigung

Ich sah nach dem Posten, dass Kyle im Wesentlichen den gleichen Ansatz vorschlug und sogar die Antworten ausarbeitete, für deren Berechnung ich zu faul war. Ich gebe Ihnen nach, mein Herr.

Ich habe den Roman nicht gelesen und war mir daher seiner Verwendung dort nicht bewusst. Ich bin unabhängig auf die Idee gekommen und meine Lösung befasst sich mit vielen der in anderen Antworten erwähnten Probleme. Mein Ansatz:

• Dies ist Teil eines größeren Systems. Die Spur ist vollständig um den Äquator gewickelt. Dies gibt Ihnen genügend Zeit, um das System auf Hochtouren zu bringen und mit dem Zielraumschiff abzugleichen. Während Sie eine Genauigkeit von weniger als einer Millisekunde benötigen, haben Sie genügend Zeit, um den Fangzug an das Raumschiff anzupassen - die Anpassung sollte kein Problem sein. Dadurch wird auch der Fehlermodus „Ausfall-zu-Stopp“ entfernt. Wenn Sie ein Problem haben, können Sie einfach weitermachen.

• Das Raumfahrzeug wird mit langen Verbindern festgehalten. Das Raumschiff befindet sich in einer Umlaufbahn mit sehr niedriger Periapsis, aber es wird nicht in den Mond einpflügen, wenn ein Fehler gemacht wird. Verliere einen Grapple und du gehst einfach wieder herum.

• Magnetschwebebahnen sind geschwindigkeitsbegrenzt, da sie sich in der Atmosphäre befinden. Sie haben kein Problem mit Rädern auf einer Strecke, kein Problem damit, die Luft aus dem Weg zu schieben. 2000 m/s statt 100 m/s zu fahren, wird kein großes Problem sein.

• Das gesamte System ist sicherer, wenn sich der Zug tatsächlich über der Umlaufgeschwindigkeit bewegt. (Beachten Sie, dass die Enden der Greifer von Natur aus über der Umlaufgeschwindigkeit sein müssen, da es kein Problem ist, den Zug selbst über der Umlaufbahn zu haben.) Sie verhindern, dass er wegfliegt, indem er 4 Schienen anstelle der üblichen zwei hat. Dies kann sich entweder tatsächlich über dem Zug befinden oder der Zug kann ein Stück haben, das zwischen den Schienen nach unten reicht und darunter auf nach unten weisenden Schienen fährt. Letzteres ist mechanisch einfacher, aber ich weiß nicht, ob die Magnete nicht stören könnten.

Im Betrieb kommt der Zug auf Geschwindigkeit und passt dann seine Geschwindigkeit so an, dass er unter dem Raumfahrzeug ankommt, wenn es die Periapsis erreicht. Um einfach, aber verschwenderisch zu sein, könnten Sie den Zug einfach direkt unter dem Raumschiff halten. Die Greifer werden nach oben gestartet. Wenn sie aus irgendeinem Grund ausfallen, spulen Sie sie einfach wieder ein und versuchen Sie es im nächsten Orbit erneut. Wenn sie sich festhalten, wird das Raumschiff zuerst in eine kreisförmige Umlaufbahn gezogen und dann mit einer Winde auf das Greiffahrzeug heruntergezogen, wo es für die Verzögerungsphase fester verbunden ist.

Beachten Sie, dass ich sagte, dies sei Teil eines größeren Systems: Diese Spur ist für viel mehr als nur zum Landen von Raumfahrzeugen nützlich. Da der Zug die Umlaufgeschwindigkeit überschreitet, kann er sowohl zum Starten als auch zum Landen verwendet werden. Nicht nur das, aber wenn Sie es bullig bauen, kann es einige ziemlich hohe Geschwindigkeiten erzeugen. Die Umlaufbahn beträgt 1,73 km / s (bei 100 km habe ich kein Glück, sie bei 0 km zu finden), was eine Zentrifugalkraft von 1,62 m / s erzeugt (die der Schwerkraft des Mondes entspricht). Lassen Sie uns unseren Zug beschleunigen, damit sich das Raumschiff 1 g nach außen anfühlt. Jetzt bewegt es sich mit 12,2 km/sek. Lassen Sie es los und es verlässt den Mond mit einer Geschwindigkeit von mehr als 10 km/s (denken Sie an Oberth, ziehen Sie nicht einfach die Fluchtgeschwindigkeit ab). Nehmen wir es bis zu 5 g, ungefähr so ​​​​viel, wie wir für einen bemannten Start wollen. Jetzt stößt er mit 54 km/sek aus und verliert fast nichts davon an die Schwerkraft des Mondes. Das gibt Ihnen alles, vom Sonnenbaden bis zur Sonnenflucht. Unbemannte Missionen können noch schneller gestartet werden.

Ja. Du kannst das.

Dies ist buchstäblich jedes Andockmanöver im Orbit aller Zeiten. Die obigen Antworten decken die meisten wichtigen Aspekte ab, aber der Konsens, dass dies grenzwertig unmöglich ist, ist etwas albern. Sie werden immer noch eine Menge Treibstoff für das Raumschiff benötigen, da es hauptsächlich für das Ausrichten des Rendezvous verantwortlich ist, der Zug nur beschleunigen oder verlangsamen kann und wenn sich das Fahrzeug nähert, alle sechs Freiheitsgrade haben wird.

Wenn Neigungsänderungen erforderlich wären, müssten Sie Kraftstoff nachfüllen, aber Ihr spezieller Anwendungsfall spricht dies an. Um dies nirgendwo zu sehen, entdeckte ich, als ich mich mit Launch Loops befasste (im Grunde mit einem selbsttragenden Linearbeschleuniger - einer Magnetschwebebahn -, um Nutzlasten direkt in die Umlaufbahn zu starten), dass dies auf der Erde möglicherweise eine schlechtere Idee ist als ein Weltraumaufzug. Was etwas zu tun braucht. Aber auf dem Mond können Sie einen Beschleuniger auf der Oberfläche haben und Nutzlasten direkt in eine sehr elliptische Umlaufbahn werfen und am Apogäum einfach zirkulieren. Wenn Sie nicht zirkulieren, kommt die Nutzlast zurück und gleitet am Perigäum über die Oberfläche - möglicherweise ein schlechter Tag. Aber das ist der springende Punkt, was Sie vorhaben. Führen Sie den Startvorgang in umgekehrter Reihenfolge aus, und Sie können loslegen.

Einige der obigen Antworten brachten berechtigte Bedenken hinsichtlich des Schienenteils Ihres Systems auf. Diese Probleme sind jedoch in erster Linie steuerungstechnische Herausforderungen, die zwar sehr schwierig, aber wahrscheinlich mit genügend Zeit, Geld und Motivation lösbar sind (ich kann mir einige große Programme mit viel Zeit und Geld vorstellen, die anscheinend nicht viel bewirken #3 ist wichtig). Ich würde Ihnen auf jeden Fall empfehlen, darüber nachzudenken, warum Ihre Leute sowohl den Grund als auch die Mittel hatten, ein so kniffliges Problem zu lösen.

Während die anderen Poster hervorragende Antworten auf die Schwierigkeit gegeben haben, sehen wir uns wirklich eine Umkehrung des Massentreibers auf dem Mond an, der zum Starten von Nutzlasten verwendet wird. Auf diese Weise genommen und nicht als Zug, ist es machbar, wenn auch etwas haarsträubend herausfordernd. Vielleicht wären unbemannte Frachtkapseln eine vernünftigere Verwendung des Systems (was auch Einschränkungen aufgrund von Verzögerungskräften auf die menschlichen Passagiere reduziert).

Anstatt zu versuchen, eine Nutzlast auf einem sich bewegenden Bahnsteig zu landen, zielt die Kapsel im Wesentlichen einfach auf den Hals eines Trichters mit großem Durchmesser, der der Massentreiber ist. Beim Passieren jeder Spule durchläuft der Pod ein Magnetfeld und erzeugt, ähnlich wie der Draht an einem Generator, Strom, der von der Infrastruktur des Massentreibers gesammelt und in riesigen Kondensatorbänken, sich wie verrückt drehenden Schwungrädern oder was auch immer für ein anderes elektrisches System ist gespeichert wird zu dieser Zeit im Einsatz.

Illustration eines möglichen Massentreiberdesigns. Ein "Massenfänger" würde einfach umgekehrt funktionieren

Da es sich um einen unbemannten Pod handelt, könnte das System nur 200 m lang sein (siehe hier ), während ein bemannter Pod zehn oder sogar 100 km lang sein könnte, um die Verzögerungs- oder Beschleunigungsbelastungen zu reduzieren.

Wenn der Pod ausreichend langsamer geworden ist, kann er auf einer Spur „landen“, aber für den größten Teil der Reise wird er im Magnetfeld schweben und nichts physisch berühren.

Ihre massive Magnetschwebebahn wird offensichtlich von (Elektro-) Magneten zum Schweben gebracht und beschleunigt und muss ein Vielfaches der Masse des Raumschiffs haben.

Die Energie, um diese Magnete anzutreiben, muss von irgendwo auf dem Planeten kommen, etwa aus einem Kernkraftwerk oder vielleicht aus Sonnenenergie. Es wird keine fossilen Brennstoffe auf dem Mars geben, und obwohl Kernbrennstoff von der Erde verschifft werden könnte, würden andere Formen von Brennstoff dies nicht tun; das würde den Zweck vereiteln.

Die naheliegende Lösung besteht für mich darin, sowohl das Kernkraftwerk als auch die Elektromagnete in den Weltraum zu bringen , einige Millionen Kilometer vom Mars entfernt. Dieselbe magnetische Energie, die zum Anheben und Beschleunigen dieses riesigen Zuges verwendet wird, kann über eine sehr lange Distanz im Weltraum auf das Schiff selbst angewendet werden, und Sie müssen sich nicht mit dem Problem der Toleranzen bei einem ungleichmäßigen und möglicherweise sich verschiebenden (und definitiv drehenden) Schiff auseinandersetzen ) Planetenoberfläche.

Im Weltraum müssen Sie sich nicht mit verwirrenden Kraftfaktoren wie der sich bewegenden Marsatmosphäre (sie ist dünn, aber es gibt Wetter), Terrain, Marsstaubstürmen und kompensierenden Vektoren für Planetenrotation oder -krümmung auseinandersetzen. Es ist eine sauberere und einfachere Umgebung und für Ingenieure ermöglicht dies eine viel größere Genauigkeit und nähere Annäherungen, winzige Stöße von Lenkraketen können den Kurs um einen Hundertstel Zentimeter ändern.

Ihr Schiff kann also in der gleichen Entfernung von den Schienen navigieren, die Schienen sind genauso lang wie die auf dem Mars (und könnten kürzer sein, weil Sie im Weltraum sechs Schienen haben könnten, die das Schiff an den Punkten eines Sechsecks umkreisen), die Kraft angewendet ist das gleiche. Aber die Schienen können vollkommen gerade sein, die Bahn des Raumschiffs vollkommen gerade und zentriert. Die Schienen selbst können zu einem Ring verbunden werden, um sie ausgerichtet zu halten. Sie können so massiv (oder viel massiver) sein wie der Zug; Eisen ist im Weltraum sehr billig (Asteroiden). Mit dem Kernkraftwerk kann jede Verschiebung des Verzögerungsgeräts durch nuklearbetriebenen Magnetantrieb (Beschleunigen von Atomen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in die entgegengesetzte Richtung der gewünschten Reise) korrigiert werden.

Nachdem Sie das Schiff ausreichend verlangsamt haben, landet es per Fallschirm, genau wie unsere Sonden, oder Sie könnten es sogar in die Umlaufbahn steuern und (roboterhaft) nur die Vorräte per Fallschirm auf die Planetenoberfläche bringen. Dann könnte das Schiff umgedreht werden, und die exakt gleichen Schienenkanonen im Weltraum könnten es vom Mars zurück zur Erde beschleunigen.

Es kann leer sein oder Besatzung und Produkte zur Erde zurückbringen. Wie auch immer diese Rücksendungen in die Marsumlaufbahn gelangen, es wäre sicherlich weniger energieintensiv, nur sie in die Umlaufbahn zu schicken, als sie UND das Schiff zu schicken.

Durch dieses Schema (das ich hier spontan erfunden habe) verlässt das Schiff niemals den Weltraum, sodass das Raumschiff nur ein Raumschiff sein kann, es muss nicht so konstruiert sein, dass es sowohl am Boden (Erde oder Mars) funktioniert als auch dem Start standhält Belastungen haben, ein Fahrwerk haben oder sogar auf die Schwerkraft ausgerichtet sein, kann es beispielsweise ein permanent rotierender Zylinder mit zentrifugaler Schwerkraft von 0,25 G sein, der für menschliche Passagiere komfortabler ist (Waschen, Schlafen, Kochen, Ausscheiden, Trainieren, Arbeiten usw.) und bequemer zum Verpacken und Aufbewahren (Sie müssen nicht alles vernetzen oder festbinden).

Natürlich kann dieses Zylinderschiff einen Zentrifugalabschnitt und einen nicht rotierenden Null-G-Abschnitt haben, wenn Null-G zur Lagerung erwünscht oder für einige wissenschaftliche oder technische Operationen nützlich ist.