Kolari avaruudessa...

Seuraa 
Viestejä45973
Liittynyt3.9.2015

Aamu-uutisissa toitoteltiin että eka sellainen on sattunut.

Eli ei ollut törmääminen avaruusromuun kyseessä, vaan että kaksi n. 800 km:n korkeudella olevaa tietoliikennesatelliittia törmäsi toisiinsa. Toinen satelliitti oli jo työnsä tehnyt, toinen oli ilmeisesti aktiivinen, molemmat painoivat n. 400 kg.

Nyt mietin, että jos tuollaisen tynnyrinkokoisen laitteen pitäisi väistää toista samankorkuisella kiertoradalla olevaa kohdetta, niin mikä olisi energiatehokkain väistö: Oikea/vasen vai ylös/alas? Kanattaisiko satelliitti laitteineen tehdä epäkeskeiseksi, jotta jotain vartta lyhentämällä saisi parin metrin siirtymän.

Sivut

Kommentit (23)

Maalaisjärki
Seuraa 
Viestejä1286
Liittynyt1.9.2006
TPa
Nyt mietin, että jos tuollaisen tynnyrinkokoisen laitteen pitäisi väistää toista samankorkuisella kiertoradalla olevaa kohdetta, niin mikä olisi energiatehokkain väistö



..Laittaa ne radoille jolla ne eivät törmää.

Savor, Olkoon sielusi kevyt kuin mielesi tuote.
- Maalaisjärki

Vierailija
TPa
Nyt mietin, että jos tuollaisen tynnyrinkokoisen laitteen pitäisi väistää toista samankorkuisella kiertoradalla olevaa kohdetta, niin mikä olisi energiatehokkain väistö: Oikea/vasen vai ylös/alas?

Letku-Ellinkin ehdottama korkeuteen perustuva väistöliike olisi fiksuin ratkaisu. Oikea/vasen-väistöllä muutettaisiin radan kallistusta, jolloin satelliittien radat saattaisivat edelleenkin leikata jossain muussa radan vaiheessa. Tekemällä ylös/alas-väistö joko kiihdyttämällä tai jarruttamalla satelliittia sopivalla hetkellä, voisi radan korkeutta muuttaa, eivätkä radat enää myöhemminkään risteäisi. (paitsi sitten mahdollisesti ajan myötä, kun ilmakehä saattaa hidastaa satelliittia ja laskea sen rataa)

Vierailija

Tuossa alle 1000 km korkeudessa ilmamolekyylit jarruttavat jokaista satelliittia.

Ellin liikennesääntö on vaikeasti tulkittava: "Tietty korkeus = tietty suunta". En haluaisi olla paikalla, kun lommon aiheuttajan syypäätä etsitään. Taitaa olla niin, että jokaisella kappaleella pitää olla oma korkeutensa.

Paitsi: Samalla korkeudella kulkevat peräkkäin etenevät kappaleet.

Satelliiteilla on myös elliptisiä ratoja. Eli ne "loukkaavat liikennesääntöjä törkeästi.

Mikä on energiatehokkain tapa saada satelliitti siirtymään radaltaan 10 m ja senjälkeen takaisin samalle radalle?

Lisäksi: G-voimat vaihtelevat maassa. On paikallista vaihtelua ja leveyspiirivaihtelua. Kuinkahan paljon satelliitin korkeus huojuu noiden vaihteluvoimien takia?

Vierailija
TPa
Ellin liikennesääntö on vaikeasti tulkittava: "Tietty korkeus = tietty suunta". En haluaisi olla paikalla, kun lommon aiheuttajan syypäätä etsitään. Taitaa olla niin, että jokaisella kappaleella pitää olla oma korkeutensa.
Paitsi: Samalla korkeudella kulkevat peräkkäin etenevät kappaleet.
Satelliiteilla on myös elliptisiä ratoja. Eli ne "loukkaavat liikennesääntöjä törkeästi.
Tällaista liikennesääntöä käytetään esim. lentoliikenteessä VFR-säännöissä, jossa korkeudet on porrastettu suunnan mukaan. Mutta on tietenkin eri asia miten hyvin se sellaisenaan soveltuisi satelliiteille.

Silti jo aiemmin esittämäni radan korkeuden muutos kiihdyttämällä tai jarruttamalla olisi energiatehokkain tapa välttää törmäys, sillä muilla tavoilla uhkaava tilanne olisi todennäköisemmin edessä uudestaan ja rataa olisi jälleen muutettava.

TPa
Mikä on energiatehokkain tapa saada satelliitti siirtymään radaltaan 10 m ja senjälkeen takaisin samalle radalle?
Noin määriteltynä samansuuruiseen (10m) radan muutokseen kulloinkin tarvittava impulssi riippuu radasta, sen muodosta ja etenkin siitä missä kohtaa rataa teet nopeuden muutokset. Näitä voi kokeilla vaikka jollakin orbit-simulaattorilla käyttäen erilaisia ratoja.

Yleisesti:
Impulssi, joka annetaan kiertävälle kappaleelle sivusuuntaisesti (vasen/oikea) muuttaa kappaleen radan kallistusta, ei sen muotoa tai kiertoaikaa. Uusi rata leikkaisi vanhan radan kahdessa pisteessä.

Rataan nähden kohtisuoraan pystysyynnassa (ylös/alas) annettu impulssi muuttaa radan muotoa (eksentrisyys), muttei kiertoaikaa. Tällöinkin uusi rata leikkaisi vanhan radan kahdessa pisteessä.

Rataan nähden tangentiaalisesti (eteen/taakse) annettu impulssi nopeuttaisi tai hidastaisi kappaletta radallaan. Tällöin sekä radan muoto, että kiertoaika muuttuisivat. Yhden impulssin jälkeen uusi rata leikkaisi edelleen vanhan radan yhdessä pisteessä, kahden jälkeen ei enää lainkaan. Impulssin vaikutus riippuu siitä, missä radan vaiheessa se tehdään. Esimerkiksi perigeossa (=Maata kiertävän radan alin piste) annettu kiihdyttävä impulssi nostaa radan toista ääripäätä apogeoa (=radan ylin piste), ja hidastava puolestaan laskee.
(kts. esim. video: http://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a000000/a0 ... index.html)

Kussakin tapauksessa samansuuruiseen 10 m muutokseen tarvittava impulssi riippuisi siitä, missä radan vaiheessa se tehdään. Esimerkiksi radan apogeon nostamiseksi 10 m tarvittaisiin vain pieni kiihdyttävä impulssi kappaleen ollessa ratansa perigeossa. Jos samansuuruinen korkeuden muutos haluttaisiin tehdä ylös/alas-impulssilla kappaleen ollessa apogeossaan tarvittaisiin siihen voimakkaampi impulssi.

Eli tässä mielessä energiatehokkain tapa muuttaa radan korkeutta 10 m ja takaisin olisi tehdä muutokset antamalla impulssi radan alimmassa kohdassa, jolloin sen korkein kohta muuttuisi - tai päinvastoin.

Lisäksi energiatehokkuuteen vaikuttaa käytetty tekniikka, esim. rakettimoottori vs. ionimoottori. Itse arvaan ihan hatusta, että kaikkein energiatehokkain tapa muuttaa rataa olisi käyttää ilmakehän jarrutusta hyväksi Mars-satelliittien tyyliin, jarrutushan vaatisi vain vähän polttoainetta. Toiseksi energiatehokkain tapa olisi varmaankin ionimoottori, sillä kun on hyvin suuri spesifinen impulssi - tosin olisi hidas tapa.

Paljon viisastelua, vähän yksiselitteistä.
Kannattaa kokeilla simulaattorilla. Tai määritellä pohdittava ongelma täsmällisemmin.

TPa
Lisäksi: G-voimat vaihtelevat maassa. On paikallista vaihtelua ja leveyspiirivaihtelua. Kuinkahan paljon satelliitin korkeus huojuu noiden vaihteluvoimien takia?
En osaa tarkkaan sanoa kuinka paljon painovoimavaihtelu vaikuttaa satelliitin radan kulloiseenkin korkeuteen, mutta arvioin sen olevan metrien luokkaa - tosin suuresti radasta riippuen. Esim. napojen kautta kulkevalla radalla vaihtelut olisivat huomattavasti suurempia kuin vaikkapa geostationaarisella radalla. Tässä kaavio ERS-1 satelliitin korkeuden muutoksista:

Maapallon painovoimaan ja satelliittien ratoihin vaikuttavat myös mm. jäätiköiden muutokset, merten pinnankorkeuden vaihtelut, valtamerien virtausten muutokset ja suuret maanjäristyksetkin (esim. 2004 tsunamin aiheuttanut).

Painovoiman paikallista vaihtelua mittaavat NASA:n GRACE-satelliitit (Gravity Recovery And Climate Experiment). Kaksi satelliittia kiertää peräkkäin samalla radalla toisiaan takaa ajaen (Tom&Jerry). Painovoiman vaihtelut radan eri vaiheissa muuttavat satelliittien nopeuksia ja keskinäistä etäisyyttä, jota ne mittaavat mikronien tarkkuudella. Näin saadaan hyvin tarkka kartta maapallon painovoiman vaihteluista eri alueilla eri aikoina. GRACE:n mittaukset kattavat kuukausittain koko maapallon ja antavat tietoa sekä painovoiman vaihteluista, että ilmastonmuutoksenkin vaikutuksista siihen.

Uutinen: http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/3093927.stm
Kotisivut: http://www.csr.utexas.edu/grace/

Vierailija

Rupeekohan yhteydet pätkiin...

Kunkahan moneen kappaleeseen ne törmätessään hajosi ja kuinkahan paljon olisi mahdollista ns. dominoefektiin. 400kg x2 ja vauhtiakin taisi olla jokseenkin paljon, eli maalais fysiikalla pikkuinen pilvi rojua moneen suuntaan matkalla.

http://www.youtube.com/watch?v=HYtguQTJ_VA

(toivomme vaan että uraanipattereilla varustettuja ei oo lähetyvil)

daiska
Seuraa 
Viestejä548
Liittynyt29.1.2007
spin0
Lisäksi energiatehokkuuteen vaikuttaa käytetty tekniikka, esim. rakettimoottori vs. ionimoottori. Itse arvaan ihan hatusta, että kaikkein energiatehokkain tapa muuttaa rataa olisi käyttää ilmakehän jarrutusta hyväksi Mars-satelliittien tyyliin, jarrutushan vaatisi vain vähän polttoainetta. Toiseksi energiatehokkain tapa olisi varmaankin ionimoottori, sillä kun on hyvin suuri spesifinen impulssi - tosin olisi hidas tapa.

Arvaus meni pieleen, suuren spesifistisen impulssin omaavat rakettimoottorit ovat energiasyöppöjä. Korvaa sana energiatehokkuus sanalla ajoainetaloudellisuus. Lisäksi pienen työntövoiman raketin tarvitsee antaa suuremman impulssin saavuttaakseen saman radan kuin suuren työntövoiman raketti.

Vierailija
daiska
Arvaus meni pieleen, suuren spesifistisen impulssin omaavat rakettimoottorit ovat energiasyöppöjä. Korvaa sana energiatehokkuus sanalla ajoainetaloudellisuus. Lisäksi pienen työntövoiman raketin tarvitsee antaa suuremman impulssin saavuttaakseen saman radan kuin suuren työntövoiman raketti.
Mutta ionimoottorihan saa tyypillisesti energiansa aurinkopaneeleista, kemialliset raketit taas ajoaineen kemiallisesta reaktiosta. Silloin on tässä mielessä ihan sama paljonko ionimoottori sitä sähköä syö, sillä sehän tuotetaan avaruudessa Auringon säteilystä. Riippuu tietysti siitä mitä op energiatehokkuudella tarkoitti, mutta oletan hänen viitanneen energiatehokkudella nimenomaan ajoaineen käytön talodellisuuteen. Niin ainakin arvelin.

Samansuuruiseen radan muutokseen tarvittava impulssi on sama riippumatta sen tuottamasta raketista. Pienemmän työntövoiman raketin on vain annettava sitä työntövoimaa pidempään.

daiska
Seuraa 
Viestejä548
Liittynyt29.1.2007
spin0
Mutta ionimoottorihan saa tyypillisesti energiansa aurinkopaneeleista, kemialliset raketit taas ajoaineen kemiallisesta reaktiosta. Silloin on tässä mielessä ihan sama paljonko ionimoottori sitä sähköä syö, sillä sehän tuotetaan avaruudessa Auringon säteilystä.

Minun puolestani energia voisi tulla vaikka pyhästä hengestä, ei muuta sitä tosiasiaa että suuren spesifistisen impulssin rakettimoottori ei ole energiatehokkaampi kuin pienemmän spesif. impulssin rakettimoottori kuten tässä väitit.
spin0
Toiseksi energiatehokkain tapa olisi varmaankin ionimoottori, sillä kun on hyvin suuri spesifinen impulssi



spin0
Riippuu tietysti siitä mitä op energiatehokkuudella tarkoitti, mutta oletan hänen viitanneen energiatehokkudella nimenomaan ajoaineen käytön talodellisuuteen. Niin ainakin arvelin.

Tottakai, sillä kun käytetään saman isp:n omaavaa rakettimoottoria niin energiatehokkuus on suoraan verrannollinen ajoaineen käytön taloudellisuuteen. Kun sekoitetaan soppaan eri isp:n omaavia moottoreita niin sanan "energiatehokkuus" käyttö on absurdia. Miksi käyttää ilmaisua mikä ei kuvaa asiaa lainkaan?

spin0
Samansuuruiseen radan muutokseen tarvittava impulssi on sama riippumatta sen tuottamasta raketista. Pienemmän työntövoiman raketin on vain annettava sitä työntövoimaa pidempään.

Lukitaanko vastaus?

1) On erittäin pienen ja erittäin suuren työntövoiman moottori. Kumpikin tuottaa saman impulssin ja omaan saman isp:n. erittäin suuren työntövoiman moottori heittää ajoaineensa lähtöradaltaan. erittäin pienen työntövoiman moottori heittää ajoainetta koko lähtö- ja lopullisen radan matkalle sirkuloidessaan ylemmäs. Huomataan että pienen työntövoiman moottorin ajoaine omaa keskimäärin suuremman rataenergian kuin suuren työntövoiman moottorin ajoaine. Mitä tämä tarkoittaa moottorin rataenergian kannalta, kun "conservation of energy is a bitch"?

2) Olkoon raketti vaikkapa 1000kg jolle käytettävissä 3 eri rakettimoottoria joiden työntövoimat ovat ääretön, 14000N ja 1N. dV-budjetti on 14m/s, g=9.8m/s² ja raketti laukaistaan suoraan ylöspäin. polton jälkeen ensimmäisen moottorin antama nopeus raketille 14m/s korkeudella 0m, toiselle 4.2m/s korkeudella 2.1m ja kolmannelle 0m/s korkeudella 0m. Mikä näistä nousee korkeimmalle?

3) Luotain on tekemässä lähiohitusta Jupiterista. Luotaimen V(inf) Jupiterin suhteen halutaan olevan vaikkapa 1km/s suurempi. Onko poltto ajoaineen kannalta taloudellisinta suorittaa mahdollisimman lähellä planeettaa vai onko se yksi hailee kuinka kaukana polton suorittaa?

Worst case: Halutaan raketti äärettömän kauas äärettömän suuren ja äärettömän pienen työntövoiman omaavalla moottorilla, LEO 6600km ympyrärata.

Äärettömän suuren työntövoiman tapaus:
vesc = sqrt(2*3.986e14/6.6e6) => dV = vesc - vesc/sqrt(2) = 3219m/s

Äärettömän pienen työntövoiman tapaus:
dV = sqrt(2*(E(inf) - E(leo))) = sqrt(2*(0 - (0.5*(3.986e14/6.6e6)-3.986e14/6.6e6))) = 7771m/s = 3219m/s*(1+sqrt(2))

Myönnän ettei pienen työntövoiman ratalaskujen ymmärrys minullakaan kummoinen ole mutta käsittääkseni pienen työntövoiman raketin tarvitsema impulssi on välillä I - I*(1+sqrt(2)) suuren työntövoiman raketin impulssista. Erittäin pienessä ratamuunnoksessa niiden erot ovat olemattomat ja kasvaa sitä mukaa kuin suuren työntövoiman Hohmannin siirtoradan eksentrisyyskin. Tietenkin Hohmannin siirtorata saadaan aikaiseksi teoriassa pienen työntövoiman raketillakin mutta se on vielä hitaampi kuin simppeli sirkulointi.

Saa korjata.

Vierailija
daiska
spin0
Mutta ionimoottorihan saa tyypillisesti energiansa aurinkopaneeleista, kemialliset raketit taas ajoaineen kemiallisesta reaktiosta. Silloin on tässä mielessä ihan sama paljonko ionimoottori sitä sähköä syö, sillä sehän tuotetaan avaruudessa Auringon säteilystä.

Minun puolestani energia voisi tulla vaikka pyhästä hengestä, ei muuta sitä tosiasiaa että suuren spesifistisen impulssin rakettimoottori ei ole energiatehokkaampi kuin pienemmän spesif. impulssin rakettimoottori kuten tässä väitit.
spin0
Toiseksi energiatehokkain tapa olisi varmaankin ionimoottori, sillä kun on hyvin suuri spesifinen impulssi

spin0
Riippuu tietysti siitä mitä op energiatehokkuudella tarkoitti, mutta oletan hänen viitanneen energiatehokkudella nimenomaan ajoaineen käytön talodellisuuteen. Niin ainakin arvelin.

Tottakai, sillä kun käytetään saman isp:n omaavaa rakettimoottoria niin energiatehokkuus on suoraan verrannollinen ajoaineen käytön taloudellisuuteen. Kun sekoitetaan soppaan eri isp:n omaavia moottoreita niin sanan "energiatehokkuus" käyttö on absurdia. Miksi käyttää ilmaisua mikä ei kuvaa asiaa lainkaan?

Olet oikeassa! Vaikka energia tulisi pyhästä hengestä suuren spesifisen impulssin rakettimoottori ei olisi sen energiatehokkaampi.
Halotaan hivusta vielä lissäää kun on alettu:
Arvelin sitä toiseksi energiatehokkaimmaksi tavaksi ratamuutoksiin ilmakehän jarrutuksen jälkeen. Olet ihan oikeassa, että käytän vertailussa sanaa energiatehokkuus ajoainetaloudellisuuden sijasta. Saatoit ehkä huomata sen siitäkin, että ehdotin edellisessä lauseessa energiatehokkaimmaksi tavaksi käyttää ilmakehän jarrutusta ja perustelin sitä polttoaineen säästämisellä. Huomaan tämän olevan sinulle vakava asia, mutta ainakin op:n kysymyksen kontekstissa nämä käsitteet näyttivät vastaavan toisiaan. En tiedä miksi op käytti sanaa energiatehokkuus kuten kysyt. Minusta oma tulkintani op:n kysymyksestä ei ollut sentään absurdi - mutta saattaa tosiaan olla ettei hän energiatehokkuudella lainkaan viitannutkaan käytetyn ajoaineen määrään.

Ehkä haluaisit kysyä asiasta häneltä ja pyytää täsmennystä kysymykseen jos se on mielestäsi absurdi?

Ja mahdollisesti ehdottamasi pyhällä hengellä toimiva moottori voisi olla ratamuutoksiin vielä soveliaampi - sen energiatehokkuuteen tai ajoaineen kulutukseen en osaa ottaa kantaa.

daiska
spin0
Samansuuruiseen radan muutokseen tarvittava impulssi on sama riippumatta sen tuottamasta raketista. Pienemmän työntövoiman raketin on vain annettava sitä työntövoimaa pidempään.

Lukitaanko vastaus?

......

Saa korjata.


Kristus. Lue ihmeessä se op:n alkuperäinen kysymys ja vastaa siihen, kun jaksat nämä asiat laskea. Kysymys koski 10 m ratamuutoksia Maata kiertäville satelliiteille mahdollisia väistöliikkeitä varten. Siinä mielessä laskelmiesi Jupiterin ohittaminen tai raketin ampuminen äärettömän kauas tuntuu vähän kaukaa haetulta. Kysymyksen kontekstissa voit tietysti halutessasi laskea väistämisessä tarvittavat pienet ratamuutokset ja kattoa mahtuuko niihin samansuuruiseen ratamuutokseen eri rakettitekniikoilla tarvittavan impulssin eroihin vitunkarva väliin.

BTW: Jätit muuten jostain syystä laskuistasi pois juuri sen ehdottamani tavan: apogeon 10 metrillä nostamisen/laskemisen perigeossa tai päinvastoin. Miksi? Kuinkas suuret erot tarvittavaan impulssiin silloin saat?

daiska
Seuraa 
Viestejä548
Liittynyt29.1.2007
spin0
Olet oikeassa! Vaikka energia tulisi pyhästä hengestä suuren spesifisen impulssin rakettimoottori ei olisi sen energiatehokkaampi.

Itse asiassa otan hieman takaisin. Esim. huonohkon isp:n omaava (vaikka 1500s) EP voi olla energiataloudellisempi kuin hyvä kemiallinen rakettimoottori (450s) jos dV-budjetti on suuruusluokkaa >10 km/s. Tällaisia missioita ei ole vielä lennetty.

spin0
Ehkä haluaisit kysyä asiasta häneltä ja pyytää täsmennystä kysymykseen jos se on mielestäsi absurdi?

OP:n kysymyshän on hyvin määritelty, ainoa muuttuja on polton suunta. => ajoainetaloudellisuus ja energiataloudellisuus ovat suoraan verrannollisia. Myöhemmin hän lisää että mikä on energiatehokkain tapa muuttaa rataa 10m ja takaisin. Kun sitten laajentaa vastausta eri isp:n moottoreille, niin kirjoittaessa "energiatehokkuus" kun tarkoittaa "ajoainetaloudellisuutta" aiheuttaa sen että vastaus on väärin. Ongelma ei ole se kumpaa OP tarkoitti, vaan se että käytit termejä ristiin.

spin0
Kristus. Lue ihmeessä se op:n alkuperäinen kysymys ja vastaa siihen, kun jaksat nämä asiat laskea. Kysymys koski 10 m ratamuutoksia Maata kiertäville satelliiteille mahdollisia väistöliikkeitä varten. Siinä mielessä laskelmiesi Jupiterin ohittaminen tai raketin ampuminen äärettömän kauas tuntuu vähän kaukaa haetulta. Kysymyksen kontekstissa voit tietysti halutessasi laskea väistämisessä tarvittavat pienet ratamuutokset ja kattoa mahtuuko niihin samansuuruiseen ratamuutokseen eri rakettitekniikoilla tarvittavan impulssin eroihin vitunkarva väliin.

Ajauduin kieltämättä vähän pois aiheesta kun pyrin vastaamaan yleisemmin ja totesin että pienen työntövoiman rakettimoottori tarvitsee suuremman impulssin saman radan saavuttamiseen. Kun vastasit (vastauksesikin viittaa yleiseen tapaukseen, ei mitään rajoitettua ongelmaa väitteessäsi) minulle niin katsoin asiakseni oikaista.

Äärettömän pienen työntövoiman tapauksen kaava taisikin mennä väärin mutta vastaus on oikein.

spin0
BTW: Jätit muuten jostain syystä laskuistasi pois juuri sen ehdottamani tavan: apogeon 10 metrillä nostamisen/laskemisen perigeossa tai päinvastoin. Miksi? Kuinkas suuret erot tarvittavaan impulssiin silloin saat?

Vastaukseni oli sinun väitteeseesi, en vastannut OP:lle. 10m korotus tarkoittaa ~3mm nopeudenmuutosta Hohmannin siirtoradan molemmissa päissä. Esim. 500kg ja 0.2N SEP:llä (nämä on kai vielä realistiset arvot) varustettu saavuttaa tuon nopeudenmuutoksen ~7.5 sekunnissa. => Sen lisäksi että ideaalin Hohmannin siirtoradan eksentrisyys on äärimmäisen pieni jolloin sirkuloinnin aiheuttama häviö on myös äärimmäisen pieni, niin kyseinen esimerkki-satelliitti pystyy käytännössä käyttämään Hohmannin siirtorataa.

Sivut

Uusimmat

Suosituimmat