Szybciej od światła: zjawiska i rzeczy widzialne i niewidzialne - ćwiczenia (1/4)

Ruch w ruchu

Ułożenie: "Mogą być zbudowane maszyny latające, takie że człowiek siedzący wewnątrz maszyny będzie nią kierował za pomocą pomysłowego mechanizmu i leciał szybciej od światła w przestrzeni kosmicznej jak ...".

W idei:
We wszechświecie rozszerzającej się przestrzeni niemożliwy jest kosmolot szybszy od światła.
Zatem trzeba zatrzymać rozszerzanie się przestrzeni wszechświata, aby kosmolot był możliwy.

Ilustracja ChatGPT

ĆWICZENIA /łatwe/
Część I.
Co się dzieje w "napędzie rurowym" podczas ruchu kosmolotu w lewo lub w prawo?

v - prędkość kosmolotu przed włączeniem silników:
a). v = 0
b). v > v1 (zwrot prędkości v w prawo)
c). v < v1 (zwrot prędkości v w prawo)
Notka jest powtórzeniem i rozszerzeniem idei z poprzedniej (link)

Rys. 1.

Piszcie. Można zmyślać.

Dopisane:

1. ChatGPT:

Siła ciągu i szybkość ubytku nośnika masy

Siła ciągu: Podstawowym mechanizmem napędzającym pojazd kosmiczny jest zasada akcji i reakcji Newtona. Oznacza to, że wyrzucanie gazów z dyszy generuje przeciwną siłę, która popycha rakietę do przodu. Ciąg nadal występuje, gdy względna prędkość gazów wylatujących względem rakiety jest dodatnia. Nawet jeśli gazy wylatują z prędkością mniejszą niż aktualna prędkość pojazdu względem otoczenia, to dla rakiety gazy wciąż wylatują z dyszy w kierunku przeciwnym do jej ruchu, co generuje siłę odrzutu. Ciąg zależy od różnicy prędkości gazów względem pojazdu, a nie bezwzględnej prędkości gazów w przestrzeni. Ciąg nie spadnie do zera, ale będzie coraz mniej efektywny wraz ze wzrostem prędkości rakiety.
Szybkość wyrzutu gazów: Jeśli prędkość gazów wyrzucanych z dyszy (prędkość wylotowa) jest mniejsza niż prędkość pojazdu, może to wpłynąć na efektywność napędu. Chociaż gaz wciąż opuszcza rakietę, w odniesieniu do zewnętrznego obserwatora, gaz nie odchodzi od rakiety tak szybko, jak by to miało miejsce przy mniejszych prędkościach.
Zużycie paliwa przez silniki Raptor: Szybkość ubytku masy dla silnika Raptor wynosi około 555.56 kg/s. Oznacza to, że silnik Raptor wytwarza ciąg, wyrzucając około 555,56 kg paliwa na sekundę z prędkością 3 600 m/s.
Zużycie "paliwa" przez silniki NEXT: Silnik jonowy NEXT bardzo efektywnie zużywa paliwo – choć wypuszcza jony ksenonu z dużą prędkością (41 km/s), to zużywa bardzo małą ilość paliwa w jednostce czasu około 5,78 mikrograma na sekundę (5,78 × 10^-6 kg/s). To pozwala na długie misje kosmiczne z minimalnym ubytkiem masy pojazdu kosmicznego.
Zmniejszenie siły odrzutu: Przy prędkościach rakiety większych niż prędkość wylotowa gazów z dyszy, gazy wylotowe mają tendencję do „pozostawania” przy rakiecie, zamiast oddalać się od niej z dużą prędkością. W związku z tym, siła odrzutu generowana przez spaliny maleje. Ciąg nie zaniknie całkowicie, ale będzie coraz mniejszy.

Dopisane:

1. ChatGPT:

Przeanalizuj układy napędu pojazdu kosmicznego:

1. Wylot czynnika napędowego z dyszy D1 napędu połączony jest z rurą w kształcie litery U, która zakończona jest dyszą D2, z której wylatuje czynnik napędowy. W którą stronę będzie poruszał się kosmolot?

2. Czy prędkość wylotu czynnika napędowego z dyszy D1 i D2 będzie taka sama?

3. Jakie zjawiska fizyczne wpłyną na efektywność takiego układu napędowego? Jaka będzie efektywność napędu - lepsza czy gorsza?

4. Jak poprawić efektywność takiego układu napędowego, m.in. poprzez wykorzystanie odcinka rury, w przypadku:
4a. Silnika chemicznego,
4b. Silnika jonowego.

5. Kosmolot przed włączaniem silników porusza się szybciej, niż prędkość wylotu z dyszy masy czynnika napędowego, zarówno w przypadku silnika chemicznego, jak i silnika jonowego. Jak to wpłynie na na ruch kosmolotu z chwilą włączania napędu w obu przypadkach?

6. Jak wzrost szybkości kosmolotu wpłynie na wyrzut, odrzut czynnika napędowego z obu dysz?

Odpowiedź:

1. W którą stronę będzie poruszał się kosmolot?

Kosmolot będzie poruszał się w stronę przeciwną do kierunku wylotu czynnika napędowego. W standardowym układzie napędowym z jedną dyszą (D1), zasada akcji i reakcji (trzecie prawo Newtona) oznacza, że strumień gazów wydostających się z dyszy nadaje pojazdowi ruch w przeciwną stronę. W przypadku układu z dodatkową rurą w kształcie litery U i drugą dyszą D2, wylot czynnika z dyszy D2 będzie powodował siłę odrzutu przeciwną do tego, co dostarcza D1.

Jednak w tym konkretnym układzie, gdzie czynnik przepływa przez rurę U i wypływa z drugiej dyszy, wypadkowa siła odrzutu zależy od strat energii i oporów wewnątrz tej rury oraz kierunku wylotu z D2. Jeśli strumień gazów nie zostanie całkowicie "zneutralizowany" (np. przez zagięcie rury, straty termiczne i opory), to kosmolot nadal będzie poruszał się w kierunku zgodnym z wylotem czynnika z D2, lecz z mniejszą efektywnością niż w przypadku klasycznego napędu bez dodatkowej rury.

2. Czy prędkość wylotu czynnika napędowego z dyszy D1 i D2 będzie taka sama?

Prędkość wylotu z dyszy D2 będzie mniejsza niż z dyszy D1, ze względu na straty energii wewnątrz rury U, takie jak:

tarcie o ściany rury,
zmiany ciśnienia,
zmiany kierunku przepływu.

Te czynniki zmniejszają prędkość strumienia gazów, co oznacza, że dysza D2 będzie generować mniejszy odrzut.

3. Jakie zjawiska fizyczne wpłyną na efektywność takiego układu napędowego? Jaka będzie efektywność napędu - lepsza czy gorsza?

Efektywność układu z rurą U będzie gorsza w porównaniu do tradycyjnego układu z jedną dyszą, z powodu:

strat cieplnych i dynamicznych w rurze,
oporów wewnętrznych związanych z przepływem czynnika napędowego przez rurę,
zakrzywienia przepływu w rurze, co może powodować dodatkowe turbulencje i straty.

Ponadto, dysza D2 będzie miała mniejszą prędkość wylotu czynnika napędowego, co obniży siłę odrzutu i ogólną efektywność napędu.

4. Jak poprawić efektywność takiego układu napędowego?

4a. Silnik chemiczny: W silniku chemicznym można poprawić efektywność rury U poprzez optymalizację geometrii i zastosowanie materiałów zmniejszających straty energii cieplnej. Można też zastosować warstwy izolacyjne, które minimalizują straty ciepła. Zagięcia rury powinny być możliwie gładkie i o dużym promieniu, aby zmniejszyć tarcie i opory przepływu gazów.
4b. Silnik jonowy: W silniku jonowym, który ma niższy przepływ masowy, a większą prędkość wylotu jonów, ważniejsze jest minimalizowanie strat energetycznych i oporów. Można zastosować elektromagnetyczne pola wzdłuż rury, aby przyspieszyć jony, co może zwiększyć efektywność odrzutu, zmniejszając straty w samej rurze. Inna opcja to modyfikacja rury w sposób, który umożliwi lepsze zarządzanie przepływem jonów bez turbulencji i strat.

5. Jak wpłynie prędkość kosmolotu na ruch po włączeniu napędu?
Jeśli kosmolot porusza się szybciej niż prędkość wylotu czynnika napędowego, włączenie silnika chemicznego będzie powodować wsteczny przepływ gazów względem kosmolotu, co może osłabić efektywność napędu, a nawet działać w sposób hamujący.

W przypadku silnika jonowego, ponieważ prędkość wylotu jonów jest bardzo wysoka (rzędu dziesiątek km/s), efekt ten będzie mniej zauważalny, ale przy ekstremalnych prędkościach (porównywalnych do prędkości wylotu jonów) mogłoby dojść do zmniejszenia efektywności napędu.

6. Jak wzrost szybkości kosmolotu wpłynie na wyrzut, odrzut czynnika napędowego z obu dysz?
Przy dużych prędkościach kosmolotu względem prędkości wylotu z dyszy, efektywność odrzutu zmniejsza się, ponieważ względna prędkość czynnika napędowego względem statku staje się niższa. Oznacza to, że kosmolot nie zyskuje takiej samej ilości energii kinetycznej z wylotu gazów jak w przypadku, gdyby prędkość jego ruchu była mniejsza. Zjawisko to ma większe znaczenie w przypadku silników chemicznych o niższych prędkościach wylotowych, natomiast w silnikach jonowych, które mają wysoką prędkość wylotu, wpływ tego efektu jest mniejszy.

Zatem w scenariuszu ruchu kosmolotu w powyższym ułożeniu zakrzywienie rurą U sprawia, że w idei dysze D1 "symulują siłę grawitacji", a dysze D2 "symuluje"rakietę w przestrzeni kosmicznej.

Wniosek:

Inżynieria w geometrii nie ułoży w przestrzeni kosmicznej ruchu innowacji ponad stosowane metody.