Me pregunto por qué los cohetes son tan grandes en su tamaño. Dado que tanto el potencial gravitacional en la necesidad de superar con el fin de poner en órbita, y la energía química quemado del combustible, son proporcionales a la masa, por lo que si reducimos el cohete de tamaño, parece estar bien para el lanzamiento de satélites. Así que ¿por qué no construir pequeños cohetes decir el tamaño de los derechos humanos? Me imagino pequeño cohete sería más fácil de fabricar en grandes cantidades y más fáciles de transportar. Y tal vez alguien puede hacer un negocio de pequeño cohete, la realización de la propia vía satélite.
Respuestas
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El problema es lo que Konstantin Tsiolkovsky descubierto hace 100 años: a medida que aumenta la velocidad, la masa necesaria (en combustible) aumenta de forma exponencial. Esta relación, específicamente, es $$ \Delta v=v_e\ln\left(\frac{m_i}{m_f}\right) $$ donde $v_e$ es la velocidad de expulsión, $m_i$ la masa inicial y $m_f$ la masa final.
El de arriba se puede reordenar para obtener $$ m_f=m_ie^{-\Delta v/v_e}\qquad m_i=m_fe^{\Delta v/v_e} $$ o tomando la diferencia entre los dos, $$ M_f=1-\frac{m_f}{m_i}=1-e^{-\Delta v/v_e} $$ donde $M_f$ es el escape fracción de la masa.
Si asumimos que estamos empezando desde el reposo hasta llegar a 11.2 km/s (es decir, la Tierra de la velocidad de escape) con una constante de $v_e=4$ km/s (velocidad típica para los cohetes de la NASA), tendríamos $$ M_f=1-e^{-11.2/4}=0.939 $$ lo que significa que casi el 94% de la masa en el lanzamiento debe ser combustible! Si tenemos más de 2000 kg de artesanía (aproximadamente del tamaño de un coche), necesitaríamos casi 31,000 kg de combustible en una nave de ese tamaño. El propulsor líquido tiene una densidad similar a la del agua (para 1000 kg/m$^3$), por lo que había necesidad de un objeto con un volumen de 31.0 m$^3$. Nuestro coche del tamaño del objeto interior sería de alrededor de 3 m$^3$, un factor de 10 demasiado pequeño!
Esto significa que necesitamos un mayor oficio que significa que más de combustible! Y explica por qué esta masa-velocidad de la relación ha sido bautizada como "la tiranía de los cohetes problema".
Esto también explica el hecho de que los cohetes son multi-etapas. En un intento de aliviar el combustible necesario, una vez que una etapa se utiliza todo su combustible, se libera desde el cohete y la siguiente etapa se enciende (haciendo esto sobre la tierra es peligroso por razones obvias, por lo tanto la NASA lanzamiento de cohetes sobre el agua), y la masa de la nave se baja por la masa de la (vacío) de la etapa. Más información sobre esto se puede encontrar en estos dos de la Física.SE los posts:
kynan
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TL;DR: Esta respuesta llega casi a la misma conclusión de Kyle Kanos', es decir, además de la carga de consideraciones, la dificultad radica en el relleno de un pequeño cohete con una masa de combustible superior a la masa del cohete en sí. Esta respuesta, sin embargo, es más riguroso en la forma en la $\Delta v$ presupuesto es tratada.
El desarrollo de una relación entre el cohete y el combustible de la misa:
Considerar el cohete ecuación que describe el movimiento de los vehículos que se propulsan por la expulsión de parte de su masa con una cierta velocidad. Una versión simplificada que toma sólo la gravedad y el empuje en cuenta es la siguiente:
$$ \Delta v(t) = v_e \cdot ln \frac{m_0}{m(t)} - g\left(\frac{m_f}{\dot m}\right) $$ donde:
$v_e$ es la efectividad en la velocidad de expulsión,
$m_f$ es la masa de combustible a bordo,
$\dot m$ es la masa de la tasa de avance (constante wrt tiempo),
$m_0$ es la masa inicial del cohete, y
$m(t)$ es la corriente de la masa del cohete
El valor de $\Delta v$ por el momento en que el cohete quema se fija por donde estamos tratando de enviar el cohete, y la masa de $m(t)$ en este punto será la masa del cohete sin ningún tipo de combustible, por lo que ninguna de estas cantidades es negociable. Los efectivos de la velocidad de escape $v_e$ y la tasa de flujo de masa no están en nuestras manos, ya que estos están en función del tipo de motor propulsor disponible.
Todo lo que queda para jugar es la inicial de las masas de los cohetes de combustible $m_f$ y el cuerpo del cohete $m_r$. Permítanos sustituto en los valores de $v$ y $m$ en el instante cuando el cohete se escapa de la gravedad, señalando que $m_0 = m_f + m_r$:
$$ \begin{align} v_{escape} & = v_e \cdot ln \frac{m_f + m_r}{m_r} - g\left(\frac{m_f}{\dot m}\right)\\ & = v_e \cdot ln(1 + \frac{m_f}{m_r}) - g\left(\frac{m_f}{\dot m}\right) \end{align} $$
Reordenando, tenemos:
$$ m_r = m_f \cdot \left(exp\left(\frac{v_{esc} + g\left(\frac{m_f}{\dot m}\right)}{v_e}\right) -1\right)^{-1} $$
Tenga en cuenta que este es, efectivamente, proporcionando $m_r$ en función de $m_f$, ya que todos los otros parámetros son fijados por las limitaciones de la misión y equipos, así como también ambientales constantes. Dado que la relación no es inmediatamente obvio, aquí es una parcela de $m_r$ contra $m_f$ para determinados valores de las constantes:
En rojo, tenemos una parcela de cohete de masa versus inicial de la masa de combustible, mientras que en azul tenemos una parcela de la relación de combustible inicial de masa a la masa total. Tenga en cuenta que el eje para el azul de la trama se inicia en el 0,9!! Esto indica que, independientemente de lo que cohete de masa que ha elegido, la red de la masa inicial de su vehículo tendría que consiste casi enteramente de combustible.
Entonces, ¿qué significa esto?
El llenado de un vehículo con una masa de combustible superior a su propia es cada vez más difícil para los pequeños cohetes, pero no tan difícil para mucho más grandes cohetes (piense en cómo el cerrado de volumen de un cuerpo hueco escalas frente a la masa). Esto es por qué los más pequeños cohetes se vuelve progresivamente más difícil.
Además, un límite mínimo en el cohete de masa podemos elegir es impuesta por el peso de la carga que debe llevar, que podría ser cualquier cosa desde un satélite a una sola persona.
Límite de carga:
Una cosa muy interesante que pasa cerca de el punto de inflexión del cohete de masa - masa de combustible de la curva. Antes de que el punto de inflexión, la adición de más de combustible que nos permitió levantar una mayor carga a la velocidad deseada.
Sin embargo, en algún lugar alrededor de $4 \cdot 10^6$ kg de masa de combustible (para nuestro seleccionado los valores de parámetro) descubrimos que la adición de más combustible comienza a disminuir la carga que puede ser izada! Lo que está sucediendo aquí es que el costo de los adicionales de combustible tener que luchar contra la gravedad comienza a ganar contra el beneficio de tener un alto consumo de combustible de la carga útil relación de la masa.
Esto muestra que hay un teórico del límite superior de la carga útil que puede ser izada en la Tierra el uso de la tecnología de los propulsores de la que disponemos. No es posible simplemente mantener el aumento de la capacidad de carga y de combustible de masas en la misma proporción, a fin de elevar arbitrariamente grandes cargas, como podría ser sugerido por el uso de la ecuación de Tsiolkovsky con ningún extra términos de la gravedad.
fibonatic
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Porque la mayoría de las cargas son bastante pesados. No estoy seguro de qué tipo de cargas que tenía en mente, no soy experto en esto, pero creo que la mayoría de los lanzamientos de contener los satélites, que podría ser mayor del que usted piensa, por ejemplo, el satélite en este Documental de la BBC, pesa 6000 kg. Y según la Wikipedia, en miniatura de los satélites pesan menos de 500 kg (lo más pesado es normal). Y algunos de esos satélites miniaturizados son el uso de un exceso de capacidad en grandes vehículos de lanzamiento.
Y creo que el más pequeño de los rockets tendrán la experiencia de la turbulencia de la atmósfera mucho violentamente. También creo que de los relativamente altos costos en termias de personal (tales como el control de la misión). Y también espero que en ciertos aspectos no se escala linealmente en tamaño, pero para ser sólo una especulación.
David Brown
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Considerar el problema en el de de una relación, ¿cuál es la relación de masa utilizada para levantar el cohete(de combustible), a la masa, finalmente, poner en órbita(cockpit). Que la proporción será la misma con respecto a los objetos más pequeños que se deben poner en órbita. Si utiliza la misma proporción o proporción para calcular el combustible necesario en masa de una pequeña embarcación, usted encontrará que usted no puede incluso llevar el dispositivo que contiene el combustible. Esta es también la razón de que los cohetes de uso etapas.
El tipo de combustible utilizado también tiene un impacto, pero esos son los detalles que hay una nueva pregunta.
Jim Geurts
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Principalmente porque necesita un montón de velocidad para ir al espacio, y a cada uno de los que la velocidad, usted necesita para acelerar. Si usted necesita una alta velocidad, usted tendrá que acelerar por un largo tiempo, por lo tanto la necesidad de una gran cantidad de combustible. También es necesario compensar la gravedad de todo el levante.
Hay maneras de reducir el requisito de combustible, como un despegue horizontal, llegar a una gran altitud y, a continuación, lanzar, así que usted mantenga el motor, pero todavía se necesita mucha energía para luchar contra la gravedad, y las alas no puede levantar muy alto, por lo que no sería una buena economía de combustible y el avión se requiere todavía de ser bastante grande.
