ATOMIC ROCKETS - AVARUUSFYSIIKAN LYHYT OPPIMÄÄRÄ SF-KIRJOITTAJILLE

Transkriptio

1 ATOMIC ROCKETS - AVARUUSFYSIIKAN LYHYT OPPIMÄÄRÄ SF-KIRJOITTAJILLE Antti Eronen (taustatukena Tero Niemi) ae_anttieronen@hotmail.com

2 PROFIILI: ANTTI ERONEN DREAMLAND AAVEKOMPPANIA (2008) TALVI (2011) OPERAATIO: HARMAGEDDON (2013)

3 PROFIILI: ATOMIC ROCKETS Kokoaja ja ylläpitäjä: Winchell D. Chung Jr., ALIAS Nyrath the Nearly Wise Atomic Rockets on SF-kirjoittajien epävirallinen raamattu, joka pitää sisällään suunnilleen kaiken, mitä aloitteleva atomiraketööri voisi koskaan kuvitella tarvitsevansa. Tämä luento on omalta osaltaan kunnianosoitus ja kiitos tuolle mahtavalle nettisivustolle!

4 PROFIILI: TÄMÄ LUENTO 1) Rakettisuunnittelun perusteet 2) Taustatyön merkityksestä 3) Yleisiä väärinkäsityksiä ja jänniä tarinoita

5

6 AVARUUDESSA LIIKKUMINEN Raketin toiminta perustuu Newtonin 3. lakiin: To every action there is always an equal and opposite reaction. Raketti kasvattaa liike-energiaansa suihkuttamalla reaktiomassaa ulos moottoreistaan tuon reaktiomassan suihkunopeus määrittää aluksen delta-v:n ja työntövoima sen kiihtyvyyden. Kuva:

7 AVARUUDESSA LIIKKUMINEN HUOM! Raketin polttoaine ja reaktiomassa ovat eri asioita! Aluksen moottorijärjestelmä käyttää polttoainetta energian tuottamiseen Syntyneellä energialla pusketaan reaktiomassaa ulos raketin suuttimista Yleensä suurin osa raketin kokonaismassasta on nimenomaan reaktiomassaa! Kuva:

8 Keskeisiä käsitteitä ja termejä: Delta-v nopeuden muutos, nopeudenmuutoskapasiteetti Määrittää raketin toimintasäteen Massasuhde (mass ratio) täysimassa vs. kuivamassa Kuinka suuri osa raketin kokonaispainosta koostuu reaktiomassasta Työntövoima (thrust) raketin kiihtyvyys Määrittää, pystyykö raketti nousemaan ylös kiertoradalle Saa asiat liikkumaan nopeammin!

9 DELTA-V eli nopeuden muutos. Avaruudessa matkustamisen kannalta lähellä ja kaukana ovat tyhjiä käsitteitä; lähellä oleviin paikkoihin pääsemiseen (esim. Maasta ylös kiertoradalle) voi kulua enemmän energiaa kuin kaukana oleviin (esim. Maan kiertoradalta Marsin kiertoradalle)! Ainoastaan matkaan vaadittava kokonais-delta-v ratkaisee. Matkoja ja etäisyyksiä ei lasketa kilometreinä, vaan kilometreinä sekunnissa (km/s)!

10 DELTA-V eli nopeuden muutos. Delta-v kuvaa raketin kykyä muuttaa nopeuttaan moottoripolttojensa avulla. Se on käytännössä kaiken raketin käytössä olevan liike-energian kokonaissumma.

11 DELTA-V eli nopeuden muutos. Jokaisella matkalla on tietty hinta, joka raketin on kyettävä maksamaan käytettävissä olevasta delta-v -kokonaiskapasiteetistaan Jos maksua ei pysty suorittamaan, matka on mahdoton. Vaadittua suurempi delta-v -kapasiteetti lyhentää matka-aikaa (moottoripoltot ovat pidempiä ja/tai tehokkaampia)

12 DELTA-V eli nopeuden muutos. Esimerkkejä delta-v -vaatimuksista:

13 DELTA-V eli nopeuden muutos. On tärkeätä huomata, että avaruusalusten delta-v kuvaa nimenomaan nopeuden muutoksen maksimikapasiteettia; tämä on eri asia kuin raketin kulloinenkin kiihtyvyys: Delta-v kertoo, kuinka kauas voidaan matkustaa Kiihtyvyys kertoo, kuinka nopeasti päästään perille

14 DELTA-V eli nopeuden muutos. Raketin käytössä oleva delta-v riippuu reaktiomassan suihkunopeudesta (exhaust velocity) sekä raketin massasuhteesta (mass ratio)

15 DELTA-V eli nopeuden muutos. Tsiolkovskyn rakettiyhtälö: delta-v = suihkunopeus * ln[massasuhde]

16 DELTA-V eli nopeuden muutos. Tsiolkovskyn yhtälöstä voidaan johtaa, että hyvällä avaruusraketilla on 1) Korkea reaktiomassan suihkunopeus (exhaust velocity) 2) Pieni massasuhde (mass ratio) HUOM! Työntövoimalla (thrust) ei siis ole mitään merkitystä raketin delta-v:tä laskettaessa!

17 DELTA-V eli nopeuden muutos. Yhtälössä on huomionarvoista myös se, että jos raketin suihkunopeus on liian pieni suhteessa tehtävän delta-v -vaatimuksiin, aluksen massasuhdetta joudutaan kasvattamaan! Tavoitteena on: moottoreiden suihkunopeus > vaadittava delta-v

18 MASSASUHDE (mass ratio) eli kuinka suuri prosenttiosuus raketin kokonaismassasta koostuu reaktiomassasta. Korkea massasuhde tarkoittaa, että raketti hukkaa energiaa vielä toistaiseksi käyttämättömän reaktiomassan liikutteluun! Taloudellisesti järkevän rahtialuksen massasuhde ei saisi ylittää 4:ää. Massasuhde 15 on aivan toteuttamiskelpoisuuden rajoilla, 20 mitä luultavimmin jo mahdoton.

19 MASSASUHDE (mass ratio) eli kuinka suuri prosenttiosuus raketin kokonaismassasta koostuu reaktiomassasta. Vaiheistamisella on mahdollista saada aikaan tilanne, jossa raketin kokonaismassasuhde on yli 15, mutta yksittäisten moottorivaiheiden alle tuon kriittisen arvon! HUOM! no self respecting Rocketeer wants to ride a disintegrating totem pole if they can possible avoid it. Atomic Rockets

20 MASSASUHDE (mass ratio) eli kuinka suuri prosenttiosuus raketin kokonaismassasta koostuu reaktiomassasta. Mitä pienempi raketin massasuhde on, sitä suurempi osa aluksesta koostuu jostakin hyödyllisestä, kuten: Runko Miehistö Rahti Moottorijärjestelmät

21 Kuva:

22

23

24 TYÖNTÖVOIMA (thrust) Suihkunopeudesta johdettava delta-v määrittää aluksen liike-energian, mutta Newtoneina (N) mitattava työntövoima aluksen kiihtyvyyden. Moottori on käytännössä aina suunniteltu antamaan joko paljon suihkunopeutta tai raakaa työntövoimaa, ei molempia yhtä aikaa! Sama moottori toimii siis harvemmin tehokkaasti sekä lentoonlähdössä että avaruudessa! Hillittömän pitkiin moottoripolttoihin ja valtaviin delta-v -lukemiin yltävä alus saattaa edelleenkin kiihtyä todella, todella hitaasti

25 TYÖNTÖVOIMA (thrust) Lentoonlähtö planeetan pinnalta edellyttää, että raketilla on tarpeeksi kiihtyvyyttä suhteessa omaan painoonsa sekä vallitsevaan painovoimavakioon jos moottori ei tuota tarpeeksi Newtoneita, laukaisualustalta ylös nouseminen ei yksinkertaisesti onnistu! Puhutaan ns. thrust-to-weight ratiosta, jonka tulisi olla yli 1 (Maassa, muualla voi selvitä vähemmälläkin ) kiihtyvyys = työntövoima / massa

26 Yhteenvetoa ja muistisääntöjä: Suihkunopeus (exhaust velocity/specific impulse) delta-v Määrittää raketin toimintasäteen Massasuhde raketin toteuttamiskelpoisuus Pieni massasuhde tarkoittaa taloudellisesti järkevää rakettia ja isoja hyötykuormia Työntövoima kiihtyvyys Määrittää, pystyykö raketti nousemaan ylös kiertoradalle Saa asiat liikkumaan nopeammin!

27 ENNEN SEURAAVAA OSIOTA: VASTAUS SIIHEN, MIKSI PLANEETTOJENVÄLISET AVARUUSLENTOKONEET EIVÄT TOIMI

28 KYSYMYKSIÄ TÄSSÄ VAIHEESSA?

29 Mitä kaikkea muuta Atomic Rockets -sivustolta löytyy: Moottorityypit Avaruusalusten kansisuunnittelu Asejärjestelmät ja avaruussodankäynti Avaruuspuvut Jne. Jne.

30 TAUSTATYÖN MERKITYKSESTÄ - ELI SIITÄ, MITEN FYSIIKAN LAIT AINA PILAAVAT KAIKKI HIENOT IDEAMME

31 TAUSTATYÖN MERKITYKSESTÄ - ELI SIITÄ, MITEN FYSIIKAN LAIT AINA PILAAVAT KAIKKI HIENOT IDEAMME Ken Burnside: Teoksen sisältöä voidaan arvioida sen mukaan, missä suhteessa se sisältää seuraavia kolmea elementtiä: UNOBTANIUM teknologia, jota voitaisiin pitää toteuttamiskelpoisena joskus tulevaisuudessa / joka voisi olla sellaista ainakin teoriatasolla HANDWAVIUM älkää kiinnittäkö huomiota siihen, miten tämä toimii TECHNOBABBLE invertoin takionisäteen polariteetin, jottet kiinnittäisi huomiota siihen, miten tämä toimii Hollywood-scifi koostuu lähes yksinomaan handwaviumista ja technobabblesta. Kova SF rakentuu unobtaniumille, jota on paikattu minimimäärällä kahta muuta.

32 TAUSTATYÖN MERKITYKSESTÄ - ELI SIITÄ, MITEN FYSIIKAN LAIT AINA PILAAVAT KAIKKI HIENOT IDEAMME Johanna Sinisalo, Finncon 2012: Jos lukija löytää teoksestasi yhdenkin asiavirheen, hän alkaa välittömästi epäillä kaiken kirjoittamasi todenmukaisuutta! Puhtaasti kiinnostavuuden takia SF:ssä sallitaan tiettyjä myönnytyksiä (esim. valoa nopeampi matkustaminen), mutta tämä EI OLE pätevä tekosyy lakaista maton alle kaikkia muitakin tunnettuja fysiikan lakeja! Mark Temple: Ultimately, the goal in writing good fiction isn t accuracy, it s believability.

33 TAUSTATYÖN MERKITYKSESTÄ - ELI SIITÄ, MITEN FYSIIKAN LAIT AINA PILAAVAT KAIKKI HIENOT IDEAMME Fysiikan lakeja taivuteltaessa on hyvä aina ottaa huomioon myös ns. sivulliset uhrit : Tehokas moottorijärjestelmä on aina myös massatuhoase Termodynamiikan 2. lain rikkominen johtaa ikiliikkujien syntymiseen Halpa ja puhdas energiantuotanto voi tehdä toisille planeetoille matkustamisesta täysin turhaa

34 YLEISIÄ VÄÄRINKÄSITYKSIÄ - JA JÄNNIÄ TARINOITA Raketeilla on siivet! Ilman isoja, painavia ja kömpelöitä jäähdyttimiä atomiraketti sulattaa itsensä olemattomiin. Alaspäin määritellään moottoreiden polttosuunnan perusteella! Raketit muistuttavat pohjaratkaisuiltaan pilvenpiirtäjiä. Kuvat:

35 YLEISIÄ VÄÄRINKÄSITYKSIÄ - JA JÄNNIÄ TARINOITA Raketit eivät ole laivoja! Avaruus on kolmiulotteinen. Komentosiltaa EI kannata sijoittaa rungon päälle. Raketit eivät ole lentokoneita! Avaruudessa ei ole kaartotaisteluita. Käyttökelpoiset asejärjestelmät ampuvat etäisyyksille, joilla kohdetta ei edes erota paljaalla silmällä. Kuvat:

36 YLEISIÄ VÄÄRINKÄSITYKSIÄ - JA JÄNNIÄ TARINOITA Avaruudessa ei ole ääntä! Tyhjiössä kukaan ei kuule huutoasi. Avaruudessa ei ole näkymättömyyttä! Lämpösäteilyn perusteella naapuriplaneetta ei tiedä vain rakettisi sijaintia, vaan myös sen kurssin, nopeuden sekä suorituskyvyn. Kuvat:

37 PLANEETAN PINNALTA KIERTORADALLE - ELI MIHIN PUOLET DELTA-VEESTÄNI JUURI KATOSI? Kuva:

38 KIERTORADALLA PYSYMINEN - ELI MITEN PUDOTA ILMAN, ETTÄ OSUU MAAHAN Kuva:

39 KIERTORADALTA TOISELLE - HITAASTI HOHMANNILLA TAI KALLIISTI BRACHISTOCHRONELLA Kuva:

40 PLANEETTOJENVÄLINEN MATKUSTUS - ELI MIKSI AUTOPILOTTIA TULISI AINA VARTIOIDA VIHAINEN KOIRA

41 LASKEUTUMINEN - ELI KUINKA PÄÄSTÄ POIS AVARUUDESTA

42 ATOMIC ROCKETS - AVARUUSFYSIIKAN LYHYT OPPIMÄÄRÄ SF-KIRJOITTAJILLE Antti Eronen (taustatukena Tero Niemi) ae_anttieronen@hotmail.com ATOMIC ROCKETS: