Międzyorbitalny Ziemia - Księżyc kosmolot towarowy cargo

Technologie, Nauka

Usługi kurierskie na Księżyc

Motto:
Człowiek nie przekroczy granicy Ziemi, Księżyc jest granicą Ziemi.
Eksport urządzeń - gospodarki na Księżyc bez importu z Księżyca.
Wahadłowiec cargo międzyorbitalny kosmiczny kurier księżycowy.
Giełda miksu: Księżyc nazbyt daleko, Międzynarodowa Stacja Kosmiczna nazbyt ciężka, Mars bez zysku...
Tylko wówczas człowiek opuści "jaskinię Platona", gdy na skrzydłach światła wolności grawitację pokona.
Wszechświat to ruch względny. Wielki Wybuch powstrzymamy i kosmolot szybszy od świtała poruszymy.

***

Rys.1.

Opis. Rys. 1. ChatGPT - Ilustracja przedstawia międzyorbitalny kosmolot towarowy cargo, przeznaczony do transportu ładunków między Ziemią a Księżycem. Kosmolot ma futurystyczny, aerodynamiczny wygląd, z dużymi kontenerami na ładunki przymocowanymi do kadłuba, panelami słonecznymi do zasilania i silnikami do napędu. Sceneria obejmuje przestrzeń kosmiczną z Ziemią w tle i Księżycem w oddali, podkreślając zaawansowaną logistykę kosmiczną i przyszłość transportu międzyplanetarnego.
*
Rys. 2

Opis. Rys. 2. ChatGPT - ilustracja przedstawiająca załadunek międzyorbitalnego kosmolotu towarowego cargo na orbicie wokółziemskiej. Widoczny jest duży statek kosmiczny zadokowany do stacji orbitalnej, gdzie robotyczne ramiona i sprzęt załadowują kontenery i zaopatrzenie na pokład. W tle widać Ziemię z widoczną krzywizną planety, co podkreśla skalę i złożoność operacji logistycznych pomiędzy Ziemią a Księżycem.
*
Rys. 3.

Opis. Rys. 3. ChatGPT - Ilustracja przedstawia scenę rozładunku międzyorbitalnego kosmolotu towarowego operującego na orbicie wokołoksiężycowej. Można zauważyć zaawansowaną technologię umożliwiającą transfer ładunków z kosmolotu do mniejszego lądownika lub stacji orbitalnej nad powierzchnią Księżyca.
***
ChatGPT:
Zadanie. Porównaj metody transportowe dostaw towarowych cargo z Ziemi na Księżyc dwoma sposobami (misje bezzałogowe): 1. za pomocą statku Starship, oraz 2. za pomocą międzyrbitalnego wahadłowca, kursującego pomiędzy orbitą wokołoziemską i orbitą wokołoksiężycową kosmolotu towarowego cargo, zmontowanego i stałego w przestrzeni kosmicznej, jak ISS.

Odpowiedź. Porównanie dwóch metod transportu towarowego z Ziemi na Księżyc, przy użyciu Starshipa oraz międzyorbitalnego wahadłowca cargo, prowadzi do zidentyfikowania kluczowych różnic i zalet każdej z tych metod. Oto szczegóły:

1. Transport za pomocą Starshipa

Opis:
Starship to w pełni wielokrotnego użytku statek kosmiczny opracowywany przez SpaceX. Starship jest zaprojektowany do lotów na Marsa, Księżyc i inne cele w Układzie Słonecznym, a także do dostarczania ładunków na orbitę Ziemi i inne ciała niebieskie.

Zalety:

• Bezpośredni lot: Starship może dostarczyć ładunek bezpośrednio z Ziemi na powierzchnię Księżyca bez potrzeby pośrednich kroków, takich jak dokowanie na orbicie czy transfer między statkami.
• Szybkość i efektywność: Ze względu na zdolność do bezpośredniego lotu, dostarczenie ładunku jest relatywnie szybkie i bezpośrednie.
• Elastyczność misji: Starship może być używany do różnych misji, nie tylko cargo, ale także załogowych, co zwiększa jego uniwersalność.
• Niższy koszt operacyjny: Dzięki wielokrotnego użytku, koszty operacyjne mogą być niższe w dłuższej perspektywie.

Wady:

• Duże zużycie paliwa: Start z Ziemi i lądowanie na Księżycu wymaga dużych ilości paliwa, co może zwiększać koszty.
• Jednorazowa operacja: Każda misja Starshipa wymaga pełnego cyklu startu i lądowania, co może być mniej optymalne w porównaniu do stałego systemu transportu międzyorbitalnego.

2. Transport za pomocą międzyorbitalnego wahadłowca cargo

Opis:
Ta metoda polega na użyciu kosmolotu towarowego, który jest stale utrzymywany na orbicie i kursuje między orbitą wokółziemską (LEO) a orbitą wokółksiężycową (LLO). Kosmolot ten byłby zmontowany na orbicie, podobnie jak Międzynarodowa Stacja Kosmiczna (ISS), i obsługiwany przez rakiety startujące z Ziemi, które dostarczałyby ładunki na orbitę LEO, skąd byłyby one przenoszone przez wahadłowiec.

Zalety:

• Oszczędność paliwa: Ponieważ wahadłowiec działa już w przestrzeni kosmicznej, zużywa mniej paliwa na transport towarów między orbitami niż pojazdy startujące z powierzchni Ziemi.
• Optymalizacja kosztów: Stały system transportu może być bardziej opłacalny w dłuższej perspektywie, gdyż wymaga mniej operacji startu i lądowania z Ziemi.
• Stałość operacji: Stała obecność wahadłowca na orbicie umożliwia regularne, harmonogramowe misje, co zwiększa stabilność dostaw.

Wady:

• Złożoność systemu: Zmontowanie i utrzymanie takiego wahadłowca wymaga dużych nakładów i zaawansowanej technologii.
• Koszt początkowy: Wysokie koszty rozwoju i montażu mogą być barierą wstępną.
• Transfer ładunków: Wymaga dodatkowej operacji transferu ładunku z Ziemi na LEO, co dodaje złożoności i czasów realizacji dostaw.

Podsumowanie

• Starship to rozwiązanie bardziej elastyczne, zdolne do bezpośrednich i szybkich dostaw towarów na Księżyc, które mogą być jednak kosztowne z powodu dużego zużycia paliwa.
•  Międzyorbitalny wahadłowiec cargo oferuje potencjalnie bardziej ekonomiczne i stałe rozwiązanie do długoterminowych operacji, choć wymaga większej złożoności operacyjnej i inwestycji początkowej.
• Wybór odpowiedniej metody zależy od konkretnych wymagań misji oraz strategii długoterminowej w eksploracji kosmosu.
  

*

CahtGPT:

Pytanie: Za pomocą których silników stosowanych przez firmę SpaceX kosmolot towarowy cargo o masie 200 ton (łączna masa pojazdu i kontenerów w ładowni) przemieściłby się z orbity wokołoziemskiej na orbitę wokołoksiężycową, wylądowałby na Księżycu z orbity wokołoksiężycowej i po wyładowaniu kontenerów o masie 50 ton powrócił na orbitę wokołoziemską? Ile musiałby posiadać tych silników? Jaka byłaby masa niezbędnej ilości paliwa do tego manewru oraz jego objętość?

Aby ocenić, jak kosmolot towarowy o masie 200 ton (łącznie z ładunkiem) mógłby przemieszczać się między orbitami, wylądować na Księżycu i wrócić na orbitę wokółziemską, musimy rozważyć kilka kluczowych czynników: wybór odpowiednich silników, liczba potrzebnych silników, oraz ilość paliwa potrzebnego do wykonania tych manewrów.

1. Wybór silników

Firma SpaceX stosuje głównie dwa typy silników, które mogą być rozważane w tym przypadku:

• Silnik Raptor: Silnik rakietowy na ciekłe paliwo (metan i ciekły tlen, czyli metan LCH4 i LOX), stosowany w Starshipie. Silnik ten jest zaprojektowany zarówno do pracy w atmosferze (Raptor), jak i w próżni (Raptor Vacuum).
• Silnik Draco/SuperDraco: Stosowane w kapsułach Dragon silniki Draco (i mocniejsza wersja SuperDraco) wykorzystują hydrazynę (MMH) jako paliwo oraz tetroksyd diazotu (NTO) jako utleniacz.

Ze względu na wymagane dV oraz profil misji, najbardziej odpowiednie będą silniki Raptor Vacuum (RVac), które są zoptymalizowane do pracy w próżni i charakteryzują się wysokim impulsem właściwym (ISP).

2. Obliczenia potrzebnego dV (przybliżenia)

Aby określić ilość paliwa, należy najpierw obliczyć całkowite wymagane delta-v (dV), czyli zmianę prędkości potrzebną do wykonania kolejnych manewrów:

1. Transfer z orbity wokołoziemskiej (LEO) na orbitę wokołoksiężycową (LLO): około 4,04 km/s.
2. Manewr lądowania na Księżycu (LLO do powierzchni): około 1,87 km/s.
3. Start z powierzchni Księżyca na orbitę wokołoksiężycową: około 1,87 km/s.
4. Powrót na orbitę wokołoziemską (LLO do LEO): około 1,61 km/s.

Całkowite dV = 4,04 + 1,87 + 1,87 + 1,61 = 9,39 km/s.

Obliczenia oparte na równaniu Ciołkowskiego zakładają użycie silników Raptor Vacuum z ISP wynoszącym około 380 sekund w próżni. Przy masie początkowej m0=200 (bez paliwa) i masie końcowej mf​ po spaleniu paliwa, równanie dV wygląda następująco:

Δv = Isp⋅g₀⋅ln ⁡( m0 / mf )

Rozwiązując to równanie dla masy paliwa mp​:
mp ≈ 1320 ton

Zatem masa potrzebnego paliwa to około 1320 ton.

4. Objętość paliwa

Przy założeniu stosowania metanu i ciekłego tlenu jako paliwa (stosunek masowy LOX/LCH4 to około 3,6:1):

• Gęstość metanu (LCH4) to około 422 kg/m³.
• Gęstość ciekłego tlenu (LOX) to około 1141 kg/m³.

Objętość paliwa:
Objętość LCH4 ≈ 670 m³
Objętość LOX ≈ 1050 m³

Całkowita objętość paliwa to około 1720 m³.

5. Liczba silników

Silnik Raptor Vacuum generuje ciąg około 1,9 MN (meganiutonów) w próżni.

Aby oszacować liczbę potrzebnych silników:

Przyjmując, że masa pojazdu przy starcie z LEO wynosi 1520 ton (masa własna + paliwo), potrzebny ciąg wynosiłby około 1520 ton × 9,81 m/s2 ≈ 14,9 MN

Liczba silników NN:

N ≈ 14,9 MN / 1,9 MN ≈ 8 silników Raptor Vacuum

Podsumowanie

Kosmolot towarowy o masie 200 ton wymagałby około 8 silników Raptor Vacuum oraz około 1320 ton paliwa o objętości około 1720 m³, aby przemieścić się z LEO na LLO, wylądować na Księżycu, wrócić na LLO po rozładunku i powrócić na LEO.

*
Zadanie dla kontenerów o masie 100 ton.

Łączne Δv: Około 8.4 km/s

Podsumowanie

• Silniki: 3 silniki Raptor.
• Masa paliwa: Około 164.54 ton.
• Objętość paliwa: Około 197.9 m³.
  

Taki kosmolot mógłby efektywnie przeprowadzić misję dostarczenia towarów na Księżyc i powrotu na orbitę wokółziemską
***
Rys. 4.

Opis. Rys. 4. ChatGPT - Ilustracja przedstawia międzyorbitalny kosmolot towarowy o napędzie jonowym, który przemieścił się z orbity wokołoziemskiej na orbitę wokołoksiężycową. Moduł towarowy z lądownikiem o napędzie chemicznym, wyposażonym w silnik firmy SpaceX, oddziela się od kosmolotu, przygotowując się do lądowania na powierzchni Księżyca.

*

ChatGPT:

Zadanie: Międzyorbitalny kosmolot towarowy o łącznej masie 200 ton i o napędzie jonowym przemieścił się z orbity wokołoziemskiej na orbitę wokołoksiężycową, na której oddzielił się od niego moduł towarowy o masie 100 ton, w tym wyposażony w lądownik o masie 50 ton z napędem chemicznym w oparciu o silniki firmy SpaceX. Moduł towarowy po wyładowaniu na Księżycu kontenerów powrócił do kosmolotu na orbicie wokołoksiężycowej, a wraz z nim kosmolot powrócił na orbitę wokołoziemską. Na Księżycu zostały kontenery o masie 50 ton. Ile paliwa jonowego (ksenonu) potrzeba do napędu jonowego tego międzyorbitalnego kosmolotu torowego cargo, jaka byłaby masa i objętość tego paliwa niezbędna do przemieszczenia się między orbitami wokołoziemską i wokołoksiężycową? Jaka ilość paliwa chemicznego byłaby niezbędna dla lądownika modułu towarowego? Jaka byłaby masa i objętość tego paliwa? W jaki model i w ile siników chemicznych firmy SpaceX wyposażony byłby lądownik sprowadzający kontenery z orbity wokołoksiężycowej na powierzchnie Księżyca?

Odpowiedź:

Podsumowanie

1. Napęd jonowy dla kosmolotu:
   Masa paliwa jonowego (ksenon): 46.15 ton.
   Objętość paliwa jonowego: 14.88 m³.
2. Napęd chemiczny dla lądownika:
   Masa paliwa chemicznego: 64.92 ton.
    Objętość paliwa chemicznego: 77.96 m³.
3. Liczba silników Raptor: 2 (zalecane).

Taka konfiguracja pozwala na efektywny transport towarów na Księżyc i z powrotem na orbitę wokółziemską, z wykorzystaniem nowoczesnych technologii napędowych.

*
Zadanie jak wyżej oraz pytanie: Ile energii elektrycznej potrzebuje silnik jonowy do tego manewru? 

Podsumowanie
Energia elektryczna potrzebna do manewru: Około 21.6 MWh.

Ta ilość energii odpowiada zapotrzebowaniu na zasilanie czterech silników jonowych przez około 3 miesiące ciągłego działania, aby przeprowadzić cały manewr przemieszczenia z orbity wokółziemskiej na orbitę wokółksiężycową, a następnie powrót na orbitę wokółziemską. W rzeczywistości czas trwania manewru i liczba silników mogą się różnić, co wpłynęłoby na ostateczną ilość potrzebnej energii.