Mars

[19grzesiek77]

Cześć. Mam pytanie odnośnie ilości paliwa potrzebnego na start z powierzchni Marsa na orbitę. Założenie jest takie ,że jest 4-6 osób , waga statku ok 18t. Ile trzeba ton paliwa na start? No i czy lepiej wyprodukować je na miejscu jak postulował Robert Zubrin w "Czasie Marsa" czy jednak lepiej paliwo przysłać z ziemi?

[speedy13]

1. prędkość kosmiczna dla Marsa = 3,63 km/s

Z wzoru Ciołkowskiego (dla uproszczenia pomijając opór powietrza i zmienną grawitację):

v = w * ln(Mo/M)

gdzie:
v - prędkość końcowa rakiety
w - prędkość wypływu gazów z silnika
Mo - masa początkowa rakiety (wraz z paliwem)
M - masa końcowa rakiety (po osiągnięciu prędkości v)

ln (Mo/M) = v/w
Mo/M = e^(v/w) czyli Mo = M*e(v/w)

Podstawiamy
v = 3630 m/s
w = 3510 m/s (przyjmuję wartość dla układu nafta + ciekły tlen)
M = 18 t

z tego wychodzi Mo = 18*e^(3630/3510) = 50,6 t (jak się nie pomyliłem :) ).

A skoro Mo = M + paliwo, to paliwo = Mo - M = 50,6-18 = 32,6 t.

Z czysto rakietowego punktu widzenia oczywiście lepiej byłoby wyprodukować paliwo na miejscu, zamiast wozić je z Ziemi. Tylko moim zdaniem to jest za duże ryzyko. Jeśli wysłane przed załogową wyprawą wytwórnie paliwa zawiodą z jakichkolwiek względów, jeśli wystąpi jakiś problem lub wypadek podczas tankowania, to marsjańscy podróżnicy będą załatwieni. Znacznie bezpieczniej zabrać paliwo na powrót ze sobą.

[pomruk]

speedy13 napisał:
> Z czysto rakietowego punktu widzenia oczywiście lepiej byłoby wyprodukować pali
> wo na miejscu, zamiast wozić je z Ziemi. Tylko moim zdaniem to jest za duże ryz
> yko. Jeśli wysłane przed załogową wyprawą wytwórnie paliwa zawiodą z jakichkolw
> iek względów, jeśli wystąpi jakiś problem lub wypadek podczas tankowania, to ma
> rsjańscy podróżnicy będą załatwieni. Znacznie bezpieczniej zabrać paliwo na pow
> rót ze sobą.
Możemy to ryzyko zmniejszyć, rozpoczynając proces produkcji paliwa urządzeniami wysłanymi podczas poprzedniego okna startowego - astronauci wystartują już pewni, ze paliwo na nich czeka. Ba, możemy obejść proces tankowania, wytwarzając paliwo we wysłanym wcześniej (bez załogi) załogowym statku powrotnym - taki scenariusz przewiduje projekt Zubrina Mars Direct. W tym przypadku ryzyko niesie ew. lądowanie astronautów w miejscu odległym od gotowego do powrotu statku. Inne scenariusze niosą jednak inne rodzaje ryzyka. Przykładowo - scenariusze bez produkcji paliwa na Marsie przewidują start z powierzchni Marsa i spotkanie na orbicie okołomarsyjskiej ze statkiem powrotnym - spotkanie czy przesiadka mogą się nie udać.

[speedy13]

Hej

pomruk napisał:


> inne scenariusze niosą jednak inne rodzaje ryzyka. Przykładowo - scenariusze bez pro
> dukcji paliwa na Marsie przewidują start z powierzchni Marsa i spotkanie na orb
> icie okołomarsyjskiej ze statkiem powrotnym - spotkanie czy przesiadka mogą się
> nie udać.

Owszem. Ale takie manewry, spotkania i połączenia statków na orbicie, są w astronautyce rutynowe od dziesięcioleci i bardzo rzadko coś nie wychodzi. A takich kombinacji w rodzaju produkowania i tankowania paliwa na innej planecie nigdy jeszcze nie przećwiczono.

[pomruk]

Owszem, operacje spotkania na orbicie są rutynowe, ale mimo wszystko np. w programie księżycowym uważane były za krytyczną cześć programu. Zaś produkcja materiałów pędnych nie będzie krytyczną, jeśli nie będzie od niej w ogóle zależał los załogi, jak w podanej wyżej propozycji Mars Direct. Przepompowywania paliwa też można uniknąć, zresztą stało się rutynową czynnością od czasu "Salutów" i "Progressów".

[smutas]

> ale mimo wszystko np. w prog
> ramie księżycowym uważane były za krytyczną cześć programu.

Hmm, ale to bylo 40+ lat temu i do tego to byly poczatki stosowania rendezvous.

> produkcja materiałów pędnych nie będzie krytyczną,

Po czym to wnosisz? Czy istnieja na ziemi przemyslowe, sprawdzone i ekonomiczne
sposoby produkcji paliw ze ziazkow nieorganicznych? Czy mamy jakies namiary na surowce na Marsie, z ktorych mozna we wzglednie prosty spposob produkowac paliwo? CO2 jest tam powszechne, ale chyba nie proponujesz napedu rakietowego na "koks"?

cheers

[pomruk]

smutas napisał:


> Hmm, ale to bylo 40+ lat temu i do tego to byly poczatki stosowania rendezvous.

Zawsze jednak mniejszym ryzykiem jest posłużenie się jednym statkiem niż kolejno dwoma, które muszą się spotkać...

> > produkcja materiałów pędnych nie będzie krytyczną,
>
> Po czym to wnosisz?

Powiedziałem to w tym sensie, ze produkcja będzie ukończona, zanim nastąpi start astronautów z Ziemi, jej niepowodzenie nie zagrozi astronautom.

> Czy istnieja na ziemi przemyslowe, sprawdzone i ekonomiczne
> sposoby produkcji paliw ze ziazkow nieorganicznych?

Czy w astronautyce używamy tych metod napędu i paliw, które są powszechnie stosowane w przemyśle? W przemyśle raczej nie używamy jako paliwa np. pochodnych hydrazyny. Czy rachunek ekonomiczny jest taki sam, gdy rozpatrujemy działalność na Ziemi i aktywność na innej planecie? Taniej nam stosować "tam" np. generatory prądu zasilane plutonem niż prądnice na ropę...

> Czy mamy jakies namiary na surowce na Marsie, z ktorych mozna we wzglednie prosty spposob produkowac paliw
> o? CO2 jest tam powszechne, ale chyba nie proponujesz napedu rakietowego na "ko
> ks"?

Ależ nie, proponuje się wykorzystać reakcje Sabatiera, w której wodór (dowieziony z Ziemi!) zredukuje CO2 do CH4.
Reakcja ta znana jest od ok. 100 lat, wymaga stosunkowo prostej aparatury, testowa już pracowała z powodzeniem w atmosferze odpowiadającej marsjańskiej (link

[smutas]

> Zawsze jednak mniejszym ryzykiem jest posłużenie się jednym statkiem niż kolejno
> dwoma, które muszą się spotkać...

Tak by bylo, gdybysmy rozwazali lot z Ziemi. W przypadku Marsa problem w tym, ze najpierw trzeba na Czerwonej Planecie wyladowac tym *duzym* statkiem. Jak jednak pokazuja nam dotychczasowe doswiadczenia wcale nie jest to zadanie latwe. Marsjanska atmosfera nie jest wystarczajaca na wyhamowanie do predkosci ladowania. Czyli musimy ladowac na ogniu. Bo przeciez nikt nie wsadzi ludzi do wielkiego dmuchanego balonu (ladowanie Spirit).
To zas znaczy, ze marsjanski ladownik bedzie musial byc cholernie duzy. Co rowniez komplikuje sprawe; patrz projekt Morpheus i odzyskiwanie pierwszych czlonow przez SpaceX.

Chociaz z drugiej strony ladowanie na ogniu ma swoje zalety; mozna uzyc ten sam pojazd do staru :-) Ale i tak brakloby paliwa na powrod na Ziemie.... :-(

> Powiedziałem to w tym sensie, ze produkcja będzie ukończona, zanim nastąpi start
> astronautów z Ziemi, jej niepowodzenie nie zagrozi astronautom.

Czyli jakies 1.5 roku przed dolotem ludzi. Faktycznie ryzyko sie zmniejsza, ale nie jest zerowe. Przez ten czas moze wiele sie wydarzyc; usterka techniczna, wyciek paliwa...

> Czy w astronautyce używamy tych metod napędu i paliw, które są powszechnie
> stosowane w przemyśle? W przemyśle raczej nie używamy jako paliwa np. pochodnych
> hydrazyny.

Tak. Wytwarzanie tlenu, wodoru, nafty jest prowadzone na skale przemyslowa. Hydrazyna ma tez w kosmonautyce coraz mniejsze znaczenie. Do korekty orbit malych satelit uzywa sie np. cieklych gazow. No i naped jonowy ma coraz wieksze zastosowanie.
Jakby jednak nie bylo, hydrazyne rownie produkuje sie przemyslowo, a nie tylko w ilosciach
mogacych wypelnic pojedyncze probowki.


> Czy rachunek ekonomiczny jest taki sam, gdy rozpatrujemy działalność na
> Ziemi i aktywność na innej planecie?

Nie jest taki sam, ale jest *istotny*. Czasy Zimnej Wojny sie skonczyly i agencje kosmiczne dysponuja niewielkim procentem srodkow, jakie byly dla nich dostepne jeszcze w latach 60, a nawet 70. Kosz eksperymentu musi byc ekonomiczne uzasadniony. Czy posadzenie czlowieka jest z naukowego punktu widzenia az tak istotny?


> Taniej nam stosować "tam" np. generatory
> prądu zasilane plutonem niż prądnice na ropę...

Na Ziemi tez jest taniej produkowac prad z plutonu niz z ropy. Na Marsie nie ma po prostu przedstawicieli Zielonych protestujacych przew czemus, czego nie rozumieja.

No i jakos nie widze mozliwosci stosowania generatora diesla w prawie beztlenowej atmosferze :-)

Za to produkcja elektrycznosci z energii slonecznej na Marsie jest drozsza niz na Ziemi. Tamtejsza stala sloneczna jest chyba ze dwa razy mniejsza...

> Ależ nie, proponuje się wykorzystać reakcje Sabatiera, w której wodór (dowiezio
> ny z Ziemi!) zredukuje CO2 do CH4.
> Reakcja ta znana jest od ok. 100 lat, wymaga stosunkowo prostej aparatury,

faktycznie wyglada zachecajaco. Ale czemu praktycznie nikt tego nie stosuje na naszym podworku? Proste, tanie, wody mamy pod dostatkiem (do elektrolizy), CO2 nam przeszkadza....? Gdzie jest haczyk?

Ile trzeba dostarczyc wodoru? I jak go przechowywac przez pare lat?

cheers

[19grzesiek77]

speedy13 napisał:

> > Podstawiamy
> v = 3630 m/s
> w = 3510 m/s (przyjmuję wartość dla układu nafta + ciekły tlen)
> M = 18 t
>
> z tego wychodzi Mo = 18*e^(3630/3510) = 50,6 t (jak się nie pomyliłem :) ).
>
> A skoro Mo = M + paliwo, to paliwo = Mo - M = 50,6-18 = 32,6 t.

Dziękuje za wyliczenia.
>
> Z czysto rakietowego punktu widzenia oczywiście lepiej byłoby wyprodukować pali
> wo na miejscu, zamiast wozić je z Ziemi. Tylko moim zdaniem to jest za duże ryz
> yko. Jeśli wysłane przed załogową wyprawą wytwórnie paliwa zawiodą z jakichkolw
> iek względów, jeśli wystąpi jakiś problem lub wypadek podczas tankowania, to ma
> rsjańscy podróżnicy będą załatwieni. Znacznie bezpieczniej zabrać paliwo na pow
> rót ze sobą.
>
Tylko wtedy trzeba posadzić na powierzchni Marsa statek który waży ok 50 t plus masa paliwa zużytego na lądowanie( ile to będzie?). To chyba nie będzie łatwe skoro do tej pory najcięższym ładunkiem jest Curisity ważący ok. 1 tony?

[fidziaczek]

Chyba trzeba uwzględnić faktu że na marsie 18 ton to tak naprawdę niecałe 7 ton

[smutas]

Speedy kompletnie olal grawitacje. Co zreszta powiedzial juz na wstepie.

Jego obliczenia odnosza sie do wyimaginowanego pojazdu popierniczajacego *poziomo* (szybka kolej?) na powierzchni Marsa. Ten pojazd ma silnik zrobiony w calosci z paliwa, ktore spala sie calkowicie.

Jako zgrubny i zdrowo zanizony szacunek moze byc ;-)

chers

[fidziaczek]

Raczej Speedy olał zmiany grawitacji w trakcie lotu, bo to nie zmienia szacunkowych wyliczeń.
Natomiast nie można olewać zupełnie innej grawitacji na marsie ponieważ to drastycznie wpływa na wynik

[smutas]

Masz racje. Nie wolno w szacowaniu takiego problemu ignorujac grawitacje. Nie mozna rowniez stosowac beztrosko Ciolkowkiego do obliczenia delta_v gdy najpierw trzeba wyrwac sie z grawitacyjnej studni. Do tego zas potrzebny jest duzy ciag a nie tylko impuls wlasciwy.

Np. stosujac pednik jonowy mozna policzyc, ze:
M_paliwa = 18*e^(3630/50000) - 18t = 1.35t.
Problem w tym, ze rakieta z silnikiem jonowym w ogole nie oderwie sie od gruntu... nawet Ksiezyca:-)

Zadany problem to nie algebra tylko sprawa funkcji; przyrost predkosci w czasu (zuzycia paliwa). Z tym, ze sila ciagu silnika musi byc wieksza od ciezaru rakiety. I tu masz racje, wazna jest marsjanska grawitacja.

W rzeczywistosci mamy jeszcze co najmniej dwa problemy do rozwiazania; zmiany energii potencjalnej - trzeba sie oddalic od powierzchni planety. Oraz rozpedzenie pojazdu prostopadle to wektora grawitacji (w poczatkowej fazie lotu pomaga nam perdkosc obrotowa planety).

Mozna zaczac od: exploration.grc.nasa.gov/education/rocket/rktwtp.html

cheers