Frage:
Warum sind Raketen so groß?
xslittlegrass
2013-11-28 08:00:59 UTC
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Ich bin gespannt, warum Raketen so groß sind. Da sowohl das Gravitationspotential, das man überwinden muss, um das Objekt in die Umlaufbahn zu bringen, als auch die vom Treibstoff verbrannte chemische Energie proportional zur Masse sind, scheint es in Ordnung zu sein, Satelliten zu starten, wenn wir die Raketengröße verkleinern. Warum also nicht eine kleine Rakete bauen, die die Größe eines Menschen sagt? Ich kann mir vorstellen, dass kleine Raketen in großen Mengen einfacher herzustellen und leichter zu transportieren sind. Und vielleicht kann jemand aus einer kleinen Rakete ein Geschäft machen und seinen eigenen Satelliten tragen.

Wie viel Kraftstoff benötigen Sie, um Ihr Auto mit 28.968 Stundenkilometern gegen so starken Gegenwind wie die Schwerkraft zu fahren?200mph Winde !!!!Leistungsstarke Telekommunikationssattelliten wiegen 1000 kg.Sie setzen die maximale Anzahl von Satelliten in jede Nutzlast ein, einschließlich kleiner, und wenn Sie versuchen würden, Energie zu sparen, indem Sie langsamer fahren, müssten Sie länger gegen die Schwerkraft kämpfen.Der Trick besteht darin, es so schnell wie möglich über 30 Meilen Höhe herauszuholen.Ein GPS-Satellit wiegt 2080 kg.
Sechs antworten:
Kyle Kanos
2013-11-28 09:46:55 UTC
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Das Problem ist das, was Konstantin Tsiolkovsky vor 100 Jahren entdeckt hat: Mit zunehmender Geschwindigkeit steigt die benötigte Masse (im Kraftstoff) exponentiell . Diese Beziehung ist insbesondere $$ \ Delta v = v_e \ ln \ left (\ frac {m_i} {m_f} \ right) $$, wobei $ v_e $ die Abgasgeschwindigkeit ist, $ m_i $ die Anfangsmasse und $ m_f $ die Endmasse.

Das Obige kann neu angeordnet werden, um $$ m_f = m_ie ^ {- \ Delta v / v_e} \ qquad m_i = m_fe ^ {\ Delta v / zu erhalten v_e} $$ oder indem man die Differenz zwischen den beiden nimmt, $$ M_f = 1- \ frac {m_f} {m_i} = 1-e ^ {- \ Delta v / v_e} $$ wobei $ M_f $ die Abgasmasse ist Fraktion.

Wenn wir davon ausgehen, dass wir aus der Ruhe beginnen, um 11,2 km / s (dh Erdfluchtgeschwindigkeit) mit einer Konstanten $ v_e = 4 $ km / s (typische Geschwindigkeit für) zu erreichen NASA-Raketen), wir würden $$ M_f = 1-e ^ {- 11.2 / 4} = 0.939 $$ benötigen, was bedeutet, dass fast 94% der Masse beim Start Treibstoff sein müssen! Wenn wir ein 2000 kg schweres Fahrzeug haben (ungefähr so ​​groß wie ein Auto), würden wir in einem Fahrzeug dieser Größe fast 31.000 kg Kraftstoff benötigen. Das flüssige Treibmittel hat eine ähnliche Dichte wie Wasser (also 1000 kg / m $ ^ 3 $), sodass Sie ein Objekt mit einem Volumen von 31,0 m $ ^ 3 $ benötigen, um es zu halten. Das Innere unseres autogroßen Objekts wäre ungefähr 3 m $ ^ 3 $, ein Faktor von 10 zu klein!

Dies bedeutet, dass wir ein größeres Fahrzeug benötigen, was mehr Kraftstoff! Und erklärt, warum diese Masse-Geschwindigkeit-Beziehung als " die Tyrannei des Raketenproblems" bezeichnet wurde.

Dies erklärt auch die Tatsache, dass moderne Raketen mehrstufig . Bei dem Versuch, den erforderlichen Treibstoff zu verringern, wird eine Stufe, sobald sie ihren gesamten Treibstoff verbraucht hat, aus der Rakete freigesetzt und die nächste Stufe gezündet (dies über Land zu tun ist aus offensichtlichen Gründen gefährlich, daher NASA startet Raketen über Wasser) und die Masse des Fahrzeugs wird durch die Masse der (leeren) Stufe verringert. Weitere Informationen hierzu finden Sie in den beiden Beiträgen zu Physics.SE:

Die Tsiolkovsky-Gleichung in der von Ihnen angegebenen Form gilt nur, wenn die äußere Nettokraft Null ist (d. H. Keine Schwerkraft). Um das erforderliche $ \ Delta v $ genau zu berechnen, müssen Sie einen zusätzlichen Term $ -g (\ frac {m_ {propell}} {\ dot m}) $ auf der rechten Seite der Gleichung einfügen.
@Asad: das ist wahr, aber ich denke, es ist (meistens) irrelevant bis zu dem Punkt, dass wir immer noch eine Schiffsladung Treibmittel brauchen, um uns in den Weltraum zu bringen, daher große Raketen und keine Raketen in Personengröße.
@KyleKanos Ja, der Kern Ihrer Antwort ist korrekt. Ich habe Probleme mit der von Ihnen hinzugefügten Berechnung, die fehlerhaft ist. Entweder müssen Sie ein ** effektives ** $ \ Delta v $ in Betracht ziehen, das erweitert wird, um den Verzögerungseffekt der Schwerkraft sowie die erforderliche Fluchtgeschwindigkeit (dies ist der Standardansatz) ungefähr zu berücksichtigen, oder die Berechnung unter Verwendung des Kraftstoffverbrauchs durchführen Zeit berücksichtigt.
@Asad Es wäre vielleicht einfacher gewesen, wenn Kyle Kanos das Budget $ \ Delta v $ verwendet hätte, um in die erdnahe Umlaufbahn zu gelangen, die etwa [9,3 - 10 km / s] beträgt (http://upload.wikimedia.org/wikipedia) /commons/7/74/Delta-Vs_for_inner_Solar_System.svg), aber dies würde immer noch ungefähr das gleiche Ergebnis zurückgeben.
@fibonatic Das von Ihnen angegebene Delta-V-Budget ist nur eine vernünftige Annäherung für Raketen mit einer ähnlichen Brenndauer wie tatsächliche Raketen. Da es sich bei dieser Frage speziell um Raketen handelt, die sehr klein sein können, führt die Verwendung des Delta-V-Budgets für eine große Rakete zu schlechten Ergebnissen.
Heiliger Strohsack! das heißt, sie verbrennen Öl, als wäre es nichts, nur um dort oben etwas Müll zu bekommen. Und sie haben es oft gemacht. Was für ein Wahnsinniger wird benötigt, um die NASA zu bilden?!?
@BЈовић: Sie verbrennen normalerweise kein Öl, es ist nicht effizient genug. Aber Kraftstoff ist eigentlich nicht so teuer. Es sind oft nur ein paar Prozent der Startkosten.
@BЈовић Eine bessere Vorstellung davon, welche Art von Kraftstoff verwendet wird, finden Sie auf den Wikipedia-Seiten für [Feststoffraketen] (http://en.wikipedia.org/wiki/Solid-fuel_rocket) und für [Flüssigraketentreibstoffe] (http : //en.wikipedia.org/wiki/Liquid_rocket_propellants).
@MSalters - Sie verbrennen oft Öl.Die erste Stufe der Saturn V-Rakete verwendete [RP-1] (http://en.wikipedia.org/wiki/RP-1), ein hochraffiniertes Kerosin, um Männer zum Mond zu bringen.RP-1 mit flüssigem Sauerstoff als Oxidationsmittel wird sehr häufig als Treibmittel verwendet.
Könnten die wenigen Downvoter erwähnen, was ihrer Meinung nach mit dieser Antwort falsch ist?
"Mit zunehmender Geschwindigkeit steigt die benötigte Masse (im Kraftstoff) exponentiell an", dies ist eine falsche Annahme.Dies hängt von der Art des Kraftstoffs ab, der für den Raketenantrieb verwendet wird.Sprechen Sie über Flüssigbrennstoff, Festbrennstoff oder Solarkraftstoff?Alle haben unterschiedliche Kapazitäten.
Kyle Ich fand meine Antwort unter https://physics.stackexchange.com/questions/487194/masslessness-of-the-electromagnetic-field gelöscht.Ich widerspreche förmlich.Der Grund war, dass nicht genug Erklärungen gegeben wurden, nur ein Link zu arxiv.org.Sie wissen, dass arxiv.org eine sehr stabile Seite ist.Es ist seit über 20 Jahren beständig.Außerdem sollte mir die Möglichkeit gegeben werden, meine Antwort ausführlicher zu erläutern.Bitte rückgängig machen.Entschuldigung für den Cross Post.Ich habe keine anderen Mittel gesehen.
@my2cts https: // physik.meta.stackexchange.com /
Asad Saeeduddin
2013-11-28 11:08:04 UTC
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TL; DR: Diese Antwort kommt ungefähr zu dem gleichen Ergebnis wie die Antwort von Kyle Kanos, dh zusätzlich zu den Überlegungen zur Nutzlast liegt die Schwierigkeit darin, eine kleine Rakete zu stopfen mit einer Kraftstoffmasse, die die Masse der Rakete selbst überschreitet. Diese Antwort ist jedoch strenger in der Behandlung des $ \ Delta v $ -Budgets.


Die Raketengleichung:

Betrachten Sie die Tsiolkovsky-Raketengleichung, die die Bewegung von Fahrzeugen beschreibt, die sich selbst antreiben, indem sie einen Teil ihrer Masse mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausstoßen. Eine vereinfachte Version, die nur (konstante) Schwerkraft und Schub berücksichtigt, ist unten angegeben:

$$ \ Delta v (t) = v_e \ cdot \ ln \ frac {m_0} {m (t)} - g \ left (\ frac {m_f} {\ dot m} \ right) $$ wobei $ v_e $ die effektive Abgasgeschwindigkeit ist, $ m_f $ die Masse des Kraftstoffs an Bord ist, $ \ dot m $ die Masse ist Verbrennungsrate (zeitlich konstant), $ m_0 $ ist die Anfangsmasse der Rakete und $ m (t) $ ist die aktuelle Masse der Rakete.

Beachten Sie, dass dies im Wesentlichen ein Impuls ist Austauschgleichung: Durch das Ausstoßen von Treibstoff steht eine begrenzte Menge an Impuls zur Verfügung, die Sie für die Erhöhung der Geschwindigkeit der Rakete + des verbleibenden Treibstoffsystems sowie für die Überwindung der Schwerkraft (dh das Ziehen des Planeten jemals) aufwenden müssen so leicht). Eine Form der Tsiolkovsky-Gleichung, die dies nicht berücksichtigt (wie in der anderen Antwort), führt zu nicht physikalischen Ergebnissen.


Eingeschränkte Variablen:

Womit können wir nun in dieser Gleichung spielen? Angenommen, $ t_ {Flucht} $ ist der Zeitpunkt, zu dem die Rakete der Schwerkraft der Erde entkommt:

  1. $ \ Delta v (t_ {Flucht}) $ ist einfach unsere gewünschte Fluchtgeschwindigkeit (vorausgesetzt, die Rakete startet aus der Ruhe), die davon abhängt, wohin wir die Rakete senden wollen
  2. $ m (t_ {Flucht}) $ ist optimalerweise die Masse der Rakete ohne Treibstoff
  3. Die effektive Abgasgeschwindigkeit $ v_e $ und die Massendurchflussrate $ \ dot m $ hängen vom Typ des verfügbaren Motors / Treibmittels ab.
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    Dies bedeutet, dass keine dieser Größen vorhanden ist verhandelbar; Wir sind durch die Anforderungen der Mission und die verfügbare Technologie eingeschränkt.


    Entwicklung einer Beziehung zwischen Rakete und Treibstoffmasse:

    Alles was wir sind Zum Spielen bleiben die anfänglichen Massen des Raketentreibstoffs $ m_f $ und des Raketenkörpers $ m_r $. Ersetzen wir die Werte von $ v $ und $ m $ in dem Moment, in dem die Rakete der Schwerkraft entkommt, und stellen fest, dass $ m_0 = m_f + m_r $:

    $$ \ begin {align} v_ {Escape } & = v_e \ cdot \ ln \ frac {m_f + m_r} {m_r} - g \ left (\ frac {m_f} {\ dot m} \ right) \\ & = v_e \ cdot \ ln \ left (1 + \ frac {m_f} {m_r} \ rechts) - g \ links (\ frac {m_f} {\ dot m} \ rechts) \ end {align} $$

    Neu anordnen, wir haben:

    $$ m_r = m_f \ cdot \ left (\ exp \ left (\ frac {v_ {esc} + g \ left (\ frac {m_f} {\ dot m} \ right)} {v_e} \ rechts) -1 \ rechts) ^ {- 1} $$

    Beachten Sie, dass dies effektiv $ m_r $ als Funktion von $ m_f $ liefert, da alle anderen Parameter durch die Einschränkungen von festgelegt sind Mission und Ausrüstung sowie Umweltkonstanten. Da die Beziehung nicht sofort offensichtlich ist, ist hier ein Diagramm von $ m_r $ gegen $ m_f $ für ausgewählte Werte der Konstanten:

    enter image description here

    In rot haben wir ein Diagramm der Raketenmasse gegen die anfängliche Kraftstoffmasse, während wir in blau ein Diagramm des Verhältnisses der anfänglichen Kraftstoffmasse zur Gesamtmasse haben. Beachten Sie, dass die Achse für das blaue Diagramm bei 0,9 beginnt !! Dies bedeutet, dass unabhängig von der von Ihnen ausgewählten Raketenmasse die anfängliche Nettomasse Ihres Fahrzeugs fast ausschließlich aus Kraftstoff bestehen müsste.

    Was bedeutet das?

    Das Befüllen eines Fahrzeugs mit einer Kraftstoffmasse, die die eigene übersteigt, wird für kleine Raketen immer schwieriger, für viel größere Raketen jedoch nicht so schwierig (denken Sie daran, wie sich das eingeschlossene Volumen eines Hohlkörpers gegenüber der Masse skaliert). Aus diesem Grund wird es immer schwieriger, immer kleinere Raketen herzustellen.

    Zusätzlich wird eine Mindestgrenze für die Raketenmasse, die wir wählen können, durch das Gewicht der Nutzlast festgelegt, die sie tragen muss, von der alles sein kann ein Satellit für eine einzelne Person.

    Obergrenze der Nutzlast:

    In der Nähe des Wendepunkts der Kurve zwischen Raketenmasse und Kraftstoffmasse passiert etwas sehr Interessantes . Vor dem Wendepunkt konnten wir durch Hinzufügen von mehr Kraftstoff eine größere Nutzlast auf die gewünschte Geschwindigkeit heben.

    Irgendwo um die $ 4 \ cdot 10 ^ 6 $ kg Kraftstoffmasse (für unsere ausgewählten Parameterwerte) stellen wir jedoch fest, dass das Hinzufügen von mehr Kraftstoff die Nutzlast verringert gehisst! Was hier passiert, ist, dass die Kosten für den zusätzlichen Kraftstoff, der gegen die Schwerkraft kämpfen muss, gegen den Vorteil eines hohen Massenverhältnisses von Kraftstoff zu Nutzlast zu gewinnen beginnen.

    Dies zeigt, dass es eine theoretische Obergrenze für die Nutzlast gibt, die mit der verfügbaren Treibstofftechnologie auf der Erde gehoben werden kann. Es ist nicht möglich, die Nutzlast und die Kraftstoffmasse einfach im gleichen Verhältnis zu erhöhen, um beliebig große Lasten anzuheben, wie dies unter Verwendung der Tsiolkovsky-Gleichung ohne zusätzliche Begriffe für die Schwerkraft nahegelegt würde.

Kommentare sind nicht für eine ausführliche Diskussion gedacht.Diese Konversation wurde [in den Chat verschoben] (https://chat.stackexchange.com/rooms/78604/discussion-on-answer-by-asad-saeeduddin-why-are-rockets-so-big).
Luke Burgess
2013-11-28 08:22:14 UTC
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Betrachten Sie das Problem in Bezug auf das Verhältnis von Masse, das zum Anheben der Rakete (Treibstoff) verwendet wird, zu der Masse, die schließlich in die Umlaufbahn gebracht wird (Cockpit). Dieser Anteil ist bei kleineren Objekten, die in die Umlaufbahn gebracht werden müssen, ähnlich. Wenn Sie das gleiche Verhältnis oder Verhältnis verwenden, um die benötigte Kraftstoffmasse für ein kleines Fahrzeug zu berechnen, werden Sie feststellen, dass Sie das Gerät, das Ihren Kraftstoff hält, nicht einmal tragen können. Dies ist auch der Grund, warum Raketen Stufen verwenden.

Die Art des verwendeten Kraftstoffs hat ebenfalls Auswirkungen, aber dies sind Details, die eine neue Frage erfordern.

Das ist die richtige Antwort.Außerdem müssen Sie die Tatsache berücksichtigen, dass der Luftwiderstand mit der quadratischen Potenz der Breite wächst, während die gesamte Kraftstoffmasse mit der dritten Potenz wächst, selbst wenn ein konstantes Verhältnis von Kraftstoff zu Trockenmasse angenommen wird
fibonatic
2013-11-28 08:35:51 UTC
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Weil die meisten Nutzlasten ziemlich schwer sind. Ich bin mir nicht sicher, welche Art von Nutzdaten Sie im Sinn hatten, ich bin kein Experte in diesem Bereich, aber ich denke, dass die meisten Starts Satelliten enthalten, die möglicherweise schwerer sind als Sie denken, zum Beispiel den Satelliten in dieser BBC-Dokumentation wiegt 6000 kg. Und laut Wikipedia wiegen miniaturisierte Satelliten weniger als 500 kg (so schwer ist normal). Und einige dieser miniaturisierten Satelliten nutzen Überkapazitäten bei größeren Trägerraketen.

Und ich denke, dass kleinere Raketen die Turbulenzen unserer Atmosphäre sehr heftig erleben werden. Denken Sie auch an die relativ höheren Personalkosten (z. B. Missionskontrolle). Und ich würde auch erwarten, dass bestimmte Aspekte nicht linear skaliert werden, sondern nur Spekulation.xxxxxx

jokoon
2013-11-28 16:37:05 UTC
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Hauptsächlich, weil Sie viel Geschwindigkeit benötigen, um in den Weltraum zu gelangen, und für jede dieser Geschwindigkeiten müssen Sie beschleunigen. Wenn Sie eine hohe Geschwindigkeit benötigen, müssen Sie lange beschleunigen, daher ist eine große Menge Kraftstoff erforderlich. Sie müssen auch die Schwerkraft während des gesamten Auftriebs ausgleichen.

Es gibt Möglichkeiten, diesen Kraftstoffbedarf zu reduzieren, z. B. bei einem horizontalen Start erreichen Sie eine große Höhe und starten dann, sodass Sie den Motor behalten, aber trotzdem Ich brauche viel Energie, um gegen die Schwerkraft zu kämpfen, und Flügel können dich nicht sehr hoch heben. Das wäre also kein so guter Kraftstoffverbrauch, und das Flugzeug müsste immer noch ziemlich groß sein.

user34882
2013-11-28 14:09:27 UTC
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$ E = mc ^ 2 $

Je größer die Masse, desto mehr Energie kann erzeugt werden. Und wir haben immer noch keinen Kraftstoff gefunden, der in kleinen Mengen die benötigte Energiemenge liefert. Ich weiß, dass Sie an Kernenergie denken werden. Wir können einen Kernreaktor mit der aktuellen Technologie nicht in eine Rakete einbauen, und selbst wenn wir ihn einbauen können, denke ich nicht, dass unser vorhandenes Wissen über die Kernwissenschaften ausreicht, um unfallfreie Reaktoren bei solchen Geschwindigkeiten zu gewährleisten.

$ E = mc ^ 2 $ trifft hier nicht wirklich zu. Erstens ist mir kein praktischer Prozess zur Umwandlung von Materie und Energie bekannt, der dem annähernd nahe kommt (soweit ich weiß, haben wir immer noch nicht herausgefunden, wie Materie- / Antimaterie-Reaktoren für Stromerzeugungszwecke gebaut werden sollen, und das wäre auch so sei der einzige Weg, um in die Nähe solcher Energiemengen zu gelangen). Zweitens, wenn Sie sich die in anderen Antworten zitierte Raketengleichung ansehen, werden Sie feststellen, dass das kritische Problem die Abgasgeschwindigkeit ist. Wenn Sie wahnsinnige Abgasgeschwindigkeiten erreichen können, bietet jedes winzige Nugget Kraftstoff viel mehr Schlagkraft in Bezug auf das Gesamtsystem $ \ Delta v $.
Wir könnten den Antrieb ähnlich dem von [Projekt Orion] (http://en.m.wikipedia.org/wiki/Project_Orion_ (Nuclear_Propulsion)) verwenden, aber dieser wird wahrscheinlich aufgrund des nuklearen Ausfalls beim Start nicht verwendet .
@fibonatic ... und die Tatsache, dass Sie sich über nukleare Ausfälle Sorgen machen müssen, ist zunächst ein ziemlich guter Indikator dafür, dass Sie sich nicht im Gebiet von $ E = mc ^ 2 $ befinden.
Wir können es in ein Flugzeug setzen https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear-powered_aircraft


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