題:
火箭發動機的廢氣會在太空中形成氣穴，從而阻礙進一步的太空探索嗎？
mcnnowak
2019-10-30 21:04:38 UTC
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假設我們建立一個月球基地。這個基地將有一些人口，在早期階段需要一些供應和機械。

如果我們在太空中建立日常運輸的運輸通道，火箭的廢氣會在運輸通道中積聚。並導致使用該航道的未來航天器產生“湍流”（由於缺乏更好的用詞）？

讓一個以10馬赫運動的火箭撞到一塊汽油似乎是一個非常糟糕的主意。 / p>

什麼會限制氣體？航道的想法很難與軌道力學相提並論
@JCRM我想我可以將我的問題集中到：廢氣流向何處，並對未來的工藝有何潛在影響？
很好的問題搭檔，也許“排氣到哪裡去了”可能是您的第二個問題（請參閱我為霍布斯留下的評論）！歡迎使用此StackExchange，希望從您那裡獲得更多信息：)。
此外，這是另一個相關的問題：https://space.stackexchange.com/questions/34675/does-the-kinetic-impact-of-gas-particles-cause-erosion-to-the-surface-of-objects
我會更擔心從其他飛船和衛星上撞到其他太空垃圾（螺栓，金屬碎片等），而不是實際上不會留在太空中的氣體分子。
相關：[航天器發射的火箭廢氣顆粒會發生什麼？]（https://space.stackexchange.com/q/39530/32757）
“如果我們在太空中為這些日常交付建立運輸通道” –月亮在移動；還會有航運專線嗎？
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排氣會迅速分散到太空中。不可能形成“氣袋”。
謝謝大家！我發現了這個問題的“原子氧”部分https://space.stackexchange.com/questions/30980，我認為這可能已經回答了我的問題。氣體會散逸，最壞的情況下會變成原子空間碎片。
@Mader不太快-我敢打賭，在它通過後的很長一段時間內，您仍然可以在太空中探測到痕跡。同樣，在月球附近，一些氣體會進入軌道一段時間，形成最薄的大氣層，直到被太陽風將其擊落。問題是，這種稀薄的氣體會成為問題嗎？答案可能是“僅針對相對論性逃亡”-但這是*要考慮的事情。我們不想阻止我們的後代通往星星的道路，對吧？無論如何，Otoh太陽風很可能會阻止相對論飛行。
新的相關問題[兩個在不同時間飛行的太空船能否通過同一空間？]（https://space.stackexchange.com/q/39682/109）
六 答案:
Hobbes
2019-10-30 22:57:04 UTC
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行星際空間是一個很好的真空。引入真空的任何氣體的壓力都將高於真空。氣體膨脹，直到其向外的壓力與周圍環境所施加的向內的壓力達到平衡為止，因此火箭廢氣將迅速消散，直到沒有明顯的痕跡為止。

離開火箭噴嘴的氣體將在所有可用方向上膨脹。沿著火箭彈道的壓力將高於從彈道徑向向外的壓力，因此最終會遇到一列向外擴散的氣體。

這張照片顯示了SpaceX Falcon 9的發射。您可以看到羽流膨脹的速度有多快，即使在非常低的軌道上也是如此-這是一張延時幾分鐘的照片。

enter image description here

從長遠來看，氣體最有可能被吸引並融合到最接近（也是最大）的質量上，除了某些以高於逃逸速度的速度排出的推進劑，對嗎？這種回答只能是“ [這種氣體]會阻礙進一步的太空探索嗎？”不是“氣體一旦被送入太空會發生什麼？”問題並沒有明確詢問後者，但似乎是他的整體困惑所在。氣體如何在真空中“消散”？我應該再問後者嗎？我也對此感興趣。
他的評論，這可能會對未來的工藝產生影響，並且“廢氣會流向何處”，這促使了這一點。 +1
@Magic章魚缸廢氣的速度與飛船相同，但其彈射速度相同。因此，它必須與飛船保持在同一軌道上，其偏差取決於燃燒過程中的排氣速度和船的姿態（如果燃燒是前進的，則軌道應較低，如果是逆行的則應較高，等等）。如果軌道比船上的軌道低很多，氣體分子可能會落回到地球的大氣層上，否則它們只會停留在軌道上。
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Perilibs的@C很有意思，謝謝。我對氣體物理學知之甚少。與航天器相比，碰撞引起的速度和方向變化是否容易使單個分子的運動變化太大？我們所談論的軌道速度約為10 km / s。 （但是，氣體非常熱，所以碰撞可能非常激烈嗎？）
火箭廢氣中的@armand氣體可以被認為具有兩個成分：遠離火箭的有用部分，以及溫度高於絕對零時產生的隨機速度。假設LH2 / LOX在3500 K下產生H2O排氣，則均方根熱速度（[3RT / M] ^ 0.5）約為2.2 km / s。因此，每個排氣分子在火箭方向的速度大約為10 km / s，在某個隨機方向的速度為2.2 km / s。這足以迅速從火箭的路徑散開
@llama很好地解釋了兩個速度分量，一個是火箭方向的速度分量，另一個是熱隨機方向分量。非常感謝。
圖像*確實*似乎描繪了一個美麗的“口袋”。因此，我們需要顯示氣體以2 km / s的速度膨脹了許多年之後的密度（並乘以希望會很大的飛行次數；-)），以及它在月球重力中的分佈情況，以及該密度是否會成為問題。我認為“口袋”這個概念不能輕易被駁回。即使在自由空間中，也將有某種類似於“日光層”的“口袋”膨脹。
這張照片是在發射後的幾分鐘內拍攝的。那當然是可見的。考慮一下飛機的凝結尾跡：飛機後方的一條細線，十分鐘後的一團烏雲，在一小時內完全消散。
儘管我同意消散，但轉換軌跡並不是一個很好的證據，原因很簡單，那就是它在大氣中，而不是在真空中。
Uwe
2019-10-31 17:30:34 UTC
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太陽以每秒約一百萬公噸的太陽風速度噴射。

與太陽風相比，偶爾從第二級火箭發動機每分鐘以幾公噸的速度噴射出地球大氣層的時間很小

像地球這樣的行星需要巨大的質量才能通過自身的重力來保持大氣層。沒有任何力可以將這樣的氣袋固定在一起。氣體只會散佈在巨大的可用空間中，並且與太陽風相比，其濃度將非常小。實際上，太陽風在地球離太陽一定距離處幾乎是一個完美的真空。

地球表面下方的氣穴需要一個堅固的圍護結構才能存在。航天器需要高壓罐來存儲氣體，或者需要非常低的溫度來存儲液化氣體。但是在零重力下的真空中，不存在沒有堅固外殼的氣穴。

太陽風*全方位*為1點，每秒百萬公噸。然而，到達月球一個地方的分數更像是每分鐘0點許多零克，與附近的火箭廢氣相比微不足道。也許您可以計算出（距火箭的距離）太陽風和火箭廢氣將接近匹配的距離（接近理想的真空度），然後我將開始理解您為什麼提到太陽風。
@JirkaHanika如果太陽風不能造成空間污染，那麼很小的火箭廢氣怎麼引起呢？
@Uwe我認為區別可能在於廢氣收集在某些空間中，而不是通過太陽能係統擴散。
地球的磁層轉移了大部分太陽風。它的影響仍然很小，但絕對不會像在火星附近的低軌道上那樣大。
@PaŭloEbermann除了不會收集火箭廢氣。在太空中，它會迅速消散，即使它確實會在任何地方短暫聚集，太陽風也會將其吹走。
@Uwe關鍵字是*口袋*。火箭廢氣會*膨脹（並因此失去密度）-但在空間方面卻是非常低的速度。因此，由此產生的*袋*膨脹氣體可能會與周圍環境區分開幾千年。相對較低且降低的密度是否會給太空飛行帶來問題，這是另一個問題。我會說，僅對於相對論飛行而言，因為所有可能的相對論驅動器的加速度都太低，所以它可能永遠不會在太陽系內部發生。 （正確：對於相對論飛行，太陽風也將是一個問題。）
彗星也在定期通過內部太陽系工作，並通過除氣大量傾倒（對於哈雷的彗星來說，顯然“每秒約有3噸物質”）。沒人注意到。
@DavidTonhofer“已觀察到[彗星的離子尾巴]擴展了3.8天文單位”（https://en.wikipedia.org/wiki/Comet_tail）。很明顯。數百或數千次太空飛行（局部）也會散發出大量氣體。
但是，當彗星再次駛向外層太陽係時，尾巴很快就會消失。因此，彗星釋放的氣體是不可見的，因為它散佈了很多。
@Uwe-是的，太陽風不會聚集在月球上，所以火箭廢氣也不會聚集。我仍然不知道太陽風的總風速是一個怎樣的相關數字-如果您在圍繞太陽的所有位置進行測量，而在錯誤的位置，則應該在月球上進行測量。 （我討厭不必同意您的意見，即太陽風是否傾向於以太陽的形式聚集在太陽上/附近。）
Corey
2019-11-01 04:11:43 UTC
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簡短的答案是沒有。

在太空中，火箭廢氣並不是真正的氣體，它更像是一種分子塵埃，其中所有分子（CO，CO 2 sub>，H 2 sub> O等）沿著它們自己的發散軌跡行進。為了形成“氣體”口袋，這些分子需要以某種方式結合在一起，並且沒有任何作用於它們。取而代之的是，您有多種因素將它們分開，包括它們各自的動量。

並且不要忘記：空間很大。 真的大。

本文檔詳細介紹了獵鷹9S9（獵鷹重型）的一次LEO飛行。第二階段的燃油負荷為107,500公斤燃油（LOX + RP-1）。回油燃燒的時間為100.5秒，其餘的大部分為著陸燃燒的時間為15.6秒。回燃的大約一半發生在卡曼線以上，從加速度曲線看，它似乎佔消耗的燃料的約45％。假設在不到一分鐘的時間內，大約有50,000千克的燃燒產物散佈在數百公里的軌跡上。

從霍布斯的答案中的圖片中，您可以看到廢氣迅速擴散，而且幾乎沒有阻礙它的蔓延將繼續下去。最終您將獲得彎曲的分子“塵埃”羽流，其中大部分會掉回地球大氣層或以自身動量逃離軌道。在低軌道，還有足夠多的其他氣體微粒，大多數廢氣可能不會使其脫離磁層而被太陽風吹走。

所以是的，密度略有增加處於低軌道的物質，但它非常薄且壽命較短。在下次發射時，將需要某種超靈敏的設備才能對其進行檢測。

另一方面，少數分子可能以適當的動量射出，進入地球周圍的橢圓軌道。再過幾個世紀（如果我們仍在使用燃燒來進入軌道），您可能會注意到一種效果。最糟糕的情況是，LEO衛星每年可能需要對軌道進行更多的校正，而LEO衛星已經存在如此接近地球大氣的分子密度問題。

第二階段的燃油負荷->您的意思是“第一階段”嗎？那就是做回返和著陸燒傷的人。
@Hobbes可能是的。在這種情況下，燃油編號是錯誤的。第一階段運載約411,000公斤，其中13％未使用。堆芯回流燃燒使用的推進劑大約為11萬公斤。 S2再入燃燒時間為2秒，因此大概是一千公斤推進劑（不幸的是，我沒有Merlin 1D-V燃料使用數據）。這些數字看起來更好嗎？如果可以，我將修改答案。
Sarcoise
2019-10-31 09:12:12 UTC
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我認為它會像火星的大氣一樣被太陽的輻射從太陽系中擠出（如果沒有磁場，地球也會如此）。 ，我相信它會像上面描述的那樣工作。在真空中，氣體分子會消散。
讓我們極端一點，並假設高速公路被大量使用-氣體會在沒有其他任何質量物體的區域聚集嗎？

chrishmorris
2019-11-01 21:06:37 UTC
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國際空間站洩漏少量空氣，並且在軌道上的停留時間足以限制可以在那裡進行的實驗。我在Harwell的前同事在真空方面比支持大功率激光實驗等要好。因此有可能污染空間。

從很薄的自然大氣層引起的低軌道的衰變早在使用空間站之前就已經知道，從軌道上的衛星開始。
您“足以限制[..]可以在那裡進行的實驗”是什麼意思？由於洩漏，在那裡不能做什麼？
與國際空間站以外的地區相比，哈維爾的人們無需漏氣。國際空間站繞著大約400公里的軌道運行，這仍然在[熱圈]範圍內（https://en.wikipedia.org/wiki/Thermosphere）。 [氣壓約為1.5e-6 Pa]（https://www.wolframalpha.com/input/?i=air+pressure+at+400+km），這是真空，但不是特別好。
有一個專用的Shuttle衛星可以在喚醒時產生高真空，這完全是因為LEO的真空度不那麼高。 https://en.wikipedia.org/wiki/Wake_Shield_Facility
user579980
2019-11-02 02:36:30 UTC
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現在，我認為這是一個有趣的問題。答案的關鍵是自然是一個複雜而混亂的地方。我們用代表它的心理形象來表示這種複雜性，但這始終是一種折衷。

現實是，正如其他人所指出的那樣，我們上方的空間異常活躍，其中包含恆定的高能粒子風（我們稱為宇宙風）和強大的磁場集，只是來自地球，而是來自太陽的更強大的場。

例如，您是否知道太陽對地球的月亮施加的重力是地球的6倍？令人驚嘆，我知道！我在一天的物理課上學到的是運用牛頓的引力方程式。現在這是違反直覺的。儘管如此，它仍然顯示出這個強大球體的力量，甚至在我們附近的這裡都被清除了。

地球和月球彼此繞行，顯示了太陽引力和太陽風的強大作用不斷變化的方面。因此，僅將這些力量結合起來，並考慮其他貢獻者以及未討論的其他觀點（如木星的影響）的其他觀點，我們可以得出結論，排出的氣體將很快消失。

但是，如果我們想應對更迫在眉睫的威脅，那麼我們遺留在軌道上的大量太空垃圾又如何呢？這可能是一個日益嚴重的問題，我們應該向其照射一些陽光。



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