題:
非軌道起降?
Gnudiff
2020-01-22 16:13:45 UTC
view on stackexchange narkive permalink

我知道這是一個幼稚的問題,但不知何故我在這裡早些時候找不到答案。

有很多問題和答案,詳細說明了航天器如何實現高軌道速度。似乎是由一個相對清晰的XKCD來總結的假設: https://what-if.xkcd.com/58/

例如,它指出:

進入空間很容易。它不是您可以在汽車上完成的事情,但這並不是一個巨大的挑戰。您可以用一個像電線桿大小的小型探空火箭將人送入太空。 X-15飛機只是通過快速飛行然後轉向而到達太空。

這與Wikipedia關於逃逸速度的條目一致:

一枚火箭正在向外移動一口重力井實際上並不需要達到逃逸速度才能逃逸,但是可以在任何速度下以合適的推進方式和足夠的推進劑在物體上提供加速力以逃逸,都可以達到相同的結果(逃逸)。

XKCD然後得出結論:

但是進入太空很容易。問題就在那裡。低地球軌道上的重力幾乎與地表上的重力一樣強。為了避免掉回大氣層,您必須非常非常快地向側面傾斜。

是什麼使您無法繼續執行“先走後走”的“輕鬆進入太空”模式,而不是嘗試進入軌道?

當然,假設您沒有真的想進入軌道,但是想去月球或深空探測。特別是與Wikipedia的註釋有關,即不必達到逃逸速度即可離開重力。

登陸也一樣。進入天體,進入軌道,然後必須釋放所有的軌道速度。如果您的行進速度足夠緩慢,並一直緩慢減速以抵消重力,則可能會花費大量時間,但是肯定有其他原因導致其無法完成,否則我們為什麼不這樣做呢?做吧。

這回答了你的問題了嗎? [為什麼土星V不直奔月球?](https://space.stackexchange.com/questions/37671/why-did-saturn-v-not-head-straight-to-the-moon)
“什麼阻止了你?” -燃料用完是不是有足夠的理由?
因為要逃脫,您需要的速度要比繞軌道的速度還要快(除非您一直想燃燒燃料只是為了保持高空飛行,這是一個糟糕的主意)?
越遠離地球,“逃逸速度”的值越小。如果永久關閉引擎不會導致您最終跌落到地球,那麼您的逃逸速度就可以達到。如果您有一個無限燃料供應的魔法引擎,那麼做這件事的一種方法是以一定的恆定速度S離開行星,直到越過逃逸速度等於S的線為止。
-1
@SolomonSlow就像“獵戶座計劃”(核發射器),太空噴泉或上方的繫繩(太空電梯)等。
這回答了你的問題了嗎? [前往月球之前先繞地球旋轉](https://space.stackexchange.com/questions/13537/orbiting-earth-before-heading-to-moon)
我沒有消息來源(所以沒有答案!),但是我非常確定Luna程序使用了直接向月球的極地上升,並且我知道Ranger和Surveyor程序使用了直接下降的事實。如果您沒有可靠的可重新啟動引擎,則可能需要在完成軌道燃燒插入的同時完成傳輸燃燒。
我看不出這是怎麼重複的;這些答案不能回答這個問題。但是,*這五個答案都可以!*
五 答案:
Starfish Prime
2020-01-22 17:32:56 UTC
view on stackexchange narkive permalink

TL; DR:效率低下。您應該玩一些Kerbal太空計劃,並親眼看看這種旅行方式的影響。


當然,假設您確實不想進入軌道,但是想要例如去月球或深空探測。特別是與Wikipedia的註釋有關,即不必達到逃逸速度即可很好地離開引力。

“逃逸”,從某種意義上講,如果您以逃逸速度旅行,將會做什麼(並在大氣之外)表示離開物體的重力影響範圍(SOI)。顯然,引力實際上具有無限的範圍,但是當您離開地球足夠遠時,您將到達一個太陽引力的影響力遠超過地球的引力影響點。您將逃離地球,並進入一個日心軌道。

因此逃生的要求是距離距離,而不是速度。如果您以逃逸速度行駛(並且處於大氣層之外),則身體重力的影響將不足以使您減速到相對的速度並向後拉,這是做到這一點的一種方法。

如果您可以想像由梯子連接在一起的一對非常分散的世界。如果您沿著那條梯子爬得足夠遠,那麼最終您將到達一個空間點,在這個點上,您所開始的世界的引力已被您要爬升的世界的引力所超過。無論您能以多快的速度向前走,您都將“逃脫”。

(請注意,如果您要登上月球,則不必走上逃生路線,因為月亮也仍然在地球的重力中,這意味著您將以低於逃逸速度的速度行進,這將為您節省一些燃料)


那麼,是什麼讓您無法繼續“先走然後轉向”的“輕鬆進入太空”模式,而不是試圖進入軌道?

使“指向並爆炸”成為逃避行星的不良方法的原因是效率。您的火箭將在逃逸的每個點持續受到重力拖曳...的影響,您將需要運轉足夠大的發動機以抵抗該高度的行星重力,然後再加一點點離開地球。您到達行星影響範圍邊緣所需的時間越長,您花費在對抗重力上的時間就越長,並且這樣做會浪費掉更多的燃料。

如果您擁有一枚真正強大的火箭,因此可以快速到達SOI的邊緣,那太好了...但是您可以很容易地將垂直指向重力場然後運行您的火箭,因此火箭的全部加速度將用於增加速度,而不是使其載荷變為反重力。您當然不會在大氣中這樣做,因為那樣您將花費更多的時間來抵抗大氣阻力。因此,您可以或多或少地向上射擊以清除大氣層,然後或多或少地橫向推動以加快速度到達SOI邊緣。 p>

...突然之間,您會發現自己模仿了相當常規的火箭發射曲線,儘管採用的是“直接注入”,而不是更常規的“進入地球軌道然後轉移到任何地方”(直接注入) 效率更高,但不足以抵消其帶來的不便)。

(還有一種叫做 Oberth效應的意思是在盡可能深的重力環境下盡可能深地使用您的火箭比在軌道上更遠地使用它要有效,但是一次只能解決一個問題。

登陸也一樣。進入天體,進入軌道,然後必須釋放所有的軌道速度。如果您的行進速度足夠慢,並一直緩慢減速,以抵消重力的作用

顯然,如果您相對於目的地確實行進得很慢,真的,真的很長一段時間才能到達那裡。

此外,問題還是效率。 Suicide Burn 可能是非常非技術性的術語,用於描述著陸軌跡,在該著陸軌跡中,您的所有減速都應盡可能晚地進行,以最大程度地減少浪費的燃料。 / p>

ETA :如星雲所觀察到的那樣,直接下降的軌跡當然比將自己注入軌道然後進行去軌的效率要高一些,但是如果您要降落在某個地方,則會出現計時問題特別是安全方面的問題,因為這使得將衛星駛回軌道變得更加困難。

TL; DR:計劃著陸時需要釋放許多重力勢能。
@CarlWitthoft也是如此。
[KSP遊戲實際上可以教授有關太空飛行和軌道力學的知識,其局限性是什麼?](https://space.stackexchange.com/questions/22834/what-c​​an-the-ksp-game-actually-teach-關於太空飛行和軌道機械的信息,請參閱:* ISP *(發動機的性能如何),* Delta-V *(您需要多少燃料)和* Max q *(您可以走多快)您會因為阻力而炸毀)。
實際上,一個逃生軌道與“走得足夠遠”不同。當您處於(雙曲線)逃生軌道上時,下降的速度是離開所述物體的速度小於行進時重力降低的速度;因此,即使經過無限長的時間你還在飛走。
概念化重力拖曳的另一種方法是考慮太空梯示例,除非您使用的是火箭而不是梯級。您只需要燃燒燃料就可以保持原狀,然後在梯子上移動更多的燃料。花在爬梯子上的每時每刻都在梯子上浪費一些燃料。進入軌道要好得多,一旦到達那裡,您就可以免費*在梯子上保持相同的高度。
Kerbal Space Program必須是一個非常好的遊戲。我在這裡閱讀的所有最佳答案中至少有20%說您應該玩該遊戲。我想我會在KSP2發行時嘗試一下...
@HeadhunterKev甚至[在XKCD上有多次大喊大叫](https://www.xkcd.com/1356/),因此很明顯,它是所有事物的答案。
@StarfishPrime XKCD是一個類似的“謎”。太不可思議了!
<3喀布爾太空計劃!
我想澄清一下,直接下降比進入軌道然後從該軌道下降要有效得多。但是,這是在阿波羅飛行任務期間沒有完成的,因為您無法在直接下降回軌道的過程中中止。
Eric Lippert
2020-01-23 04:15:59 UTC
view on stackexchange narkive permalink

據我所知,您的問題是指出從地球表面到達月球表面有兩種方法。

方法之一:向上燃燒直到穿過大氣最厚的部分,以避免空氣阻力。側向燃燒以達到軌道速度並將近地點和近地點提升到太空。從地球軌道燃燒前進,以達到跨月軌跡。在危險時期,逆行燃燒以到達月球軌道。進一步將逆行燃燒到較低的軌道以與地表相交,然後再進行逆向燃燒,以使我們獲得軟著陸。

方法二:弄清楚如果奔跑,從地球到月球需要多長時間引擎不斷。將火箭指向月球將要到達的位置。不斷向那個方向加速,直到大約一半為止;在中點旋轉180度並在另一個方向上不斷加速,這樣您到達月球表面時將達到零速度。

第二種方法稱為
brachistocrone軌跡,這是從點A到達點B的最快方式。但是,就像通常最快的方式一樣,它一點都不省油。僅當您的飛船非常輕巧且燃燒效率非常高時,才有意義。例如,黎明航天器將是這種軌蹟的候選者(儘管正如評論員所指出的那樣,它沒有足夠的推力才能下地!),但是我們沒有充分的理由

。我們想以合理的成本和時間組合從A點到達B點。 Brachistocrone的軌跡非常昂貴,因為它的燃油效率極低,因此,它不是成本與時間之間的良好平衡。常規的“起飛,循環,轉移,循環,著陸”計劃需要更長的時間,但燃油效率更高,因此價格更便宜幾個數量級。

謝謝,這是我想知道的內容的摘要。我仍然會接受海星Prime的答案,因為它有更多細節(例如,為什麼要使軌道速度更省油-垂直於重力會消耗更少的能量),但是我贊成,如果可以的話,我也接受。 :)
FTR,諸如Dawn之類的離子引擎到目前為止還不夠強大,無法在地球和月球之間產生Brachistocrone,但是可以想像,它可以在兩個輕型小行星之間的雙星系統中完成。當然,在那種情況下,想要盡可能快地到達那裡甚至很奇怪,但是...
-1
user3482749
2020-01-23 15:48:42 UTC
view on stackexchange narkive permalink

要專門到達月球,除了已經提到的問題外,還有一個額外的問題:大概,到達月球時的目標是繞月球軌道運行或在其上平穩地著陸(如果您的目標是就是將自己變成彈片狀的碎片,散佈在大塊的碎石上,請隨便採取行動。)也就是說:您需要使自己相對於月球保持靜止。由於月球繞地球運行,這意味著無論您是否喜歡,您最終都需要進入地球軌道。

要進入深空,您可以可以採用自己的方法,前提是您不必介意可怕的效率(而且類似的技術也可以用於發射遠小於在地球上,效率損失要小得多),但是如果您要與圍繞您所發射物體的軌道交會,則絕對必須進入圍繞該物體的軌道你從最終開始。

Renan
2020-01-24 23:08:56 UTC
view on stackexchange narkive permalink

進入天體,進入軌道,然後必須釋放所有的軌道速度。如果您的行進速度足夠緩慢,並一直緩慢減速,以抵消重力,這可能會花費大量時間,但是肯定有另一個原因無法完成,否則我們為什麼不這樣做呢?

既然其他人(特別是 Starfish Prime)已經回答了軌道運動的原理,那麼我現在將以一個實際的角度來解決這個問題。

p>

我有Kerbal Space Program的PC版本,我喜歡玩它。這是一個太空程序模擬遊戲,可讓您了解各種太空旅行方法的實際含義。

您認為有可能實現的目標-我在遊戲中做了很多次。只是進入軌道然後再脫離軌道的方法要便宜幾個數量級。

當您升入太空時,軌跡(軌道的形狀)由無論您要起飛的重力和當前速度。您已經知道,要繞地球軌道運行,您的軌跡必須是圓形的,並且需要很大的水平速度。

您可能希望去月球而不必繞地球軌道化首先,而不必在月球上做軌道停車。為此,只需在正確的時間點將火箭指向上方即可。

讓我們深入了解軌道運動的基本原理:當您沿著前進的方向(前進)加速時,軌道的形狀會拉伸,從而使最遠離您的點變得更高。還要注意,當您的軌道呈橢圓形時,您走的越高,相對於所要運行的軌道的相對速度就越慢。

要通過霍夫曼轉移到達月球,您必須到達低地球軌道(LEO),然後以7.8 km / s的速度停放。然後,您在一個精確的點加速到10.4 km / s,這將使您處於與月球自己的軌道相交的橢圓形軌跡上,以便您和月球在同一時間碰面,然後您就可以降落。在您加速的位置,相對於地球的速度將保持相對於地球的10.4 km / s,但在軌道的另一端,速度將降低至大約1 km / s(不考慮從月球加速)。

當您接近月球時,您相對於月球本身的相對速度會變小-在距月球60,000公里處,您的相對速度應接近1.1 km / s。月亮將朝著它加速,然後您必須擺脫這種速度。阿波羅11號以1.8 km / s的速度到達月球表面118 km(由於月球的重力加速),然後減速至1.6 km / s停在其軌道上。著陸器必須以如此之快的速度著陸。

相反,如果您希望沿軌道盡可能直達月球,則可以像“新視野”那樣來做。一旦超過大氣層,則達到16.2 km / s。您將在不到9小時的時間內到達月球(與阿波羅(Apollo)大約3天的時間相比)。您也將擁有更高的速度-在這種情況下,您的遠地點距離月球還遠,這意味著您在此過程中將損失很少的速度。實際上,您將以相同的速度到達月球,所以現在您的下垂速度約為16 km / s。

總而言之,通過沿較小的環形路徑行駛,您可以將速度更改〜3倍。但是,這並不意味著您的支出就簡單地乘以3。引用Randall Munroe的話:

這就是工程師所說的火箭方程式的專制:隨著您想要改變速度的量(“ delta-v”)的增加,向上,所需的燃料成倍增加。

我沒有數學運算,但是根據我在KSP中的經驗,如果您想在月球上進行探索,您可能需要 Energia在月球上放一個很小的探測器現實生活。不幸的是,Energias既昂貴又停產。

uhoh
2020-01-22 17:30:43 UTC
view on stackexchange narkive permalink

是什麼讓您無法……快速行動然後轉向……

這不是氣氛嗎?

先上升然後加快速度即可進行太空飛行。沒有火箭可以在1個大氣壓下加速到20馬赫,然後一直維持到太空。

要提高速度並將水平速度轉換為垂直速度,需要氣氛。但是,大氣層會阻止您以超音速到達軌道速度。
@Uwe可以操縱,難道不能簡單地平衡發動機嗎?
確切地說,大氣阻力使這種飛行路線的選擇極其耗能,更不用說高結構風險了。
@uhoh如果您只是通過搖動引擎在真空中轉向,那麼您現在就朝著正確的方向……並且仍然朝著您的原始方向前進。要真正改變航向,您需要取消所有原始速度,這對於發動機來說是非常昂貴的,但對於飛機來說,可以放開空氣以“免費”改變方向,這很好。
-1


該問答將自動從英語翻譯而來。原始內容可在stackexchange上找到,我們感謝它分發的cc by-sa 4.0許可。
Loading...