Informatika és tudomány

Hadviselés a világűrben

  • [NST]Cifu
    #465
    Elkezdtem anno írni az alant látható értetlenség (értelmetlenség) miatt egy pár alap dolgot, ám bokros teendőim miatt nem tudtam befejezni. Ha már félkész, végigírom, aki egy kicsit is komolyabban akarja megérteni az űrbéli hadviselést, talán hasznát látja... :)

    Meghajtás és az űrbéli mozgás alapjai:

    Gyakorlatilag csaknem minden űrben használható hajtómű azonos elven működik, x tömegű anyag áramol ki a hajtóműből y sebességgel, ez hoz létre tolóerőt. Egy egyszerű példával élve ha egy pisztolyt elsütsz, akkor a lövedék tömege és sebességével arányos erőt fejt ki a pisztolyra (és a kezünkre ez által), viszont az arányok fordítottak. Ha súlytalanság állapotában nézzük, a pisztoly tömege a lövedék tömegénél 100x nagyobb, a lövedék sebessége 300m/s, akkor a pisztoly elsütéskor 3m/s sebességre tesz szert.

    A "csaknem minden" kivétele a napvitorlás (illetve a hasonló lézer-tolás és társai), illetve az elméletekben létező, de nem bizonyított meghajtásokat (mint az anti-gravitáció). A napvitorlás, lézer-tolás és hasonló megoldások esetén azonban szintén van energiaközvetítő közeg - maga a fény. A fotonok által kifejtett erő hajtja előre az űrjárművet, a forrásuk pedig lehet egy csillag (mint a Nap), illetve egy vagy több nagy energiájú lézer.

    Térjünk vissza a pisztolyunkhoz, az már látható, hogy a sebesség és a kiáramló anyag tömege a lényeg. A különféle hajtóművek más-más arányban nyújtják nekünk ezeket. Pár példa a hagyományos kémiai hajtóműveknél:

    Folyékony Hidrogén (LH2) + Folyékony Oxigén (LOX): 4 km/s
    Kerozin (RP-1) + Folyékony Oxigén (LOX): 3,2 km/s
    Hibrid rakétahajtómű (LOX+gumi): 2,75 km/s
    Modern kompozit szilárd gyorsítórakéta (GEM): 2,2 km/s
    Ion-hajtómű: ~200 km/s
    LANTR (nukleáris-LH2): ~9 km/s

    Megj.: Az adatok nem hajtóműspecifikusak, hanem alapértékek, befolyásolja őket a fúvóka és az égőtér hatékonysága.



    A szilárd rakétahajtómű felépítése, az égőtér végén van a begyújtó szerkezet


    Az STS szilárd (balra) és folyékony (jobbra) gyorsító-rakéta terveinek metszete még a fejlesztés időszakában


    A Scaled Composites féle hibrid szilárd-folyékony rakétahajtómű felépítése


    A folyékony hajtóanyag előnye a jó tolóerő, a szabályozhatóság. Hátránya, hogy bonyolult. Üzemanyagtartályok kellenek, csőhálózat kell, szivattyúk kellenek, és így tovább.

    A folyékony üzemanyagok közül a LH2+LOX népszerű, mert ez adja a legtöbb tolóerőt adott tömeghez viszonyítva. Hátránya hogy mind a LOX, mind a LOX mélyhűtve folyékony csak, a folyékony hidrogént pedig nagyon nehéz tárolni (igazából huzamos ideig, évekig nem is tudjuk jelenleg hatékonyan).

    A LOX+Kerozin nagyon népszerű a szovjet/orosz hordozórakétáknál, illetve most már nyugaton is kezd elterjedni, a SpaceX olcsó Falcon1 és Falcon9 rakétái is ilyen üzemanyagkombót égetnek el. Ugyan kevésbé hatékony, mint az LH2+LOX, viszont a sokkal könnyebb kezelés miatt mégis érthető a népszerűsége.

    A Hibrid rakéták viszonylag új jövevények, itt az üzemanyag gumiszerű állagban van a hajtómű belsejében, és folyékony oxigén vagy más oxidálószert fecskendeznek a hajtóműbe, ez pedig begyulladva adja a tolóerőt. Az előnye hogy egyszerű, csak az oxigént kell tárolni és mozgatni (tehát elég egy szivattyú, például), a hajtómű leállítható (a hajtóanyag "kialszik" az oxigéncsap elzárása után), sőt a tolóerő szabályozható, tehát ötvözi a . Ilyen például a SpaceShipOne / SpaceShipTwo hajtóműve.

    A szilárd hajtóanyag a legegyszerűbb szerkezet, a hajtóanyag és az oxidálószer keveréke van a hajtómű belsejében elhelyezve, egy hosszanti furattal. A begyújtás után a furat belső felén elkezd a hajtóanyag égni, és a termelődő gázok kiáramolva adják a tolóerőt. Az egyszerűségért viszont nagy árat kérnek, a hajtómű ha el lett indítva, akkor nem leállítható, továbbá a hatékonysága sokkal rosszabb, mint a folyékony üzemanyagú hajtóműveké.

    A tolóerő mértéke tehát függ a kiáramlási sebességtől és az anyagáramlástól. Itt van pár példa, hogy adott hajtóműveknél mekkora tolóerőre lehet számítani (üres tömeg: a hajtómű tömege üzemanyagtartály és üzemanyag nélkül):

    SSME (LH2 + LOX, üres tömege: 3,2 tonna): 2'278 kN
    RD-180 (RP-1 + LOX, dupla égőtér/fúvóka, üres tömege: 5,5 tonna): 4'150 kN
    Nerva (Nukleáris + LH2, üres tömege: ~34 tonna): 335 kN
    Ion hajtómű (Xenon, üres tömege: ~1 tonna): 0,05 kN
    VASMIR (LH2, üres tömege: ~10 tonna): 0,4 kN


    A NERVA hajtómű fő részelemei


    A tolóerő tehát már megvan, most jön a másik fontos dolog, a specifikus fogyasztás. Ez egy kacifántos fizikai számítás, leegyszerűsítve a hajtómű által generált impulzus (lendület) osztva a felhasznált üzemanyag (és oxidálószer) tömegéve adott időre vetítve.

    A specifikus impulzus (Isp) számítása forrás):

    Isp = F / (m * g0)

    Isp (másodperc) = Tolóerő (Newton vagyis kg*m/s2) / (tömegáramlás (kg/s)) * földi gravitáció (9,81 m/s2)

    Egy példa, az űrsikló SSME hajtóműve, ami LH2+LOX hajtóanyagot éget.

    Tolóerő (vákumban): 2'278'000 N
    Tömegáramlás: LOX: 424 kg/s + LH2: 70.3 kg/s = 494,3 kg/s

    Isp: 2'278'000 / 494 * 9,81 = 2'278'000 / 4846 = 470 sec (vákumban)


    Az 1970-es évek csúcstechnikája tovább finomítva, méregdrágán: SSME


    Pár hajtómű ISP értéke:

    Nagy kétáramúságú gázturbinás sugárhajtómű (utasszállító repülőgép): ~6000 sec (meg.: az oxigént és a tolóerő jó részét is a légkörből nyeri)
    Nagy kétáramúságú gázturbinás sugárhajtómű utánégetővel (vadászgép): ~3000 sec (meg.: az oxigént és a tolóerő jó részét is a légkörből nyeri)
    SSME (LH2+LOX): ~470 sec (vákumban, tengerszinten jóval kisebb, ~330 sec)
    Hibrid hajtómű (LOX+gumi): ~290 sec (vákumban)
    GEM (szilárd hajtóanyag): ~250 sec (vákumban)
    Nerva (nukleáris + LH2): ~850 sec (vákumban)
    Triton (nukleáris + LH2 + LOX): ~1000 sec (vákumban)
    Ion-hajtómű: ~6000 sec (vákumban)
    VASMIR: ~10'000 (egyes források szerint ~30'000) sec (vákumban)

    A DeltaV értékek többségében adottak, már lent raktam be egy Föld-Hold viszonylatra vonatkozó Delta-V-ket tartalmazó ábrát,
    de itt van pár érték még.

    Az adott DeltaV-hez szükséges tömeg-üzemanyag arány kiszámítása:

    MR = e^(dV/Ve) = 2,7183^(szükséges deltaV / (hajtómű ISP * 9.81m/s2)

    (megjegyzés: az e értéke itt egyszerűsítve van, az adott pályatípustól függően változhat)

    Például 10 km/s deltaV-t akarsz elérni, a hajtóműved tud 470 sec Isp-t (tehát kémiai hajtómű, SSME szint), ez alapján:

    MR = 2,7813^(10000/(470*9.81)) = 8,74

    Vagyis ha az űrhajód üres tömege 10 tonna, akkor 87,4 tonna üzemanyagot kell még magaddal vinni, legalább.
    A csapatmunka roppant fontos: rajtad kívül másra is l?hetnek!