Antrieb / Schub im Weltall

Hallo zusammen,
ich habe eine Frage zum Reaction Control System RCS.
Bzw. eine allgemeine Frage. Wie kann ich mir vorstellen das Gas, welches aus dem RCS ausgestoßen wird, einen Impuls erzeugt das sich das Spaceshuttle bewegt.
Also ich hab das immer so verstanden, das irgendwelche Stoffe in einer Atmosphäre nötig sind, von denen "man" sich abstoßen kann (sprich, ein Hubschrauber schiebt sich in dem er Luft verdrängt, nach oben, oder so )
Nur im Weltraum gibt es ja nix, wovon man sich abstoßen könnte, da herrscht doch quasi ein Vakuum.
Ich wäre froh, wenn mir das jmd erklären kann, aber wie ihr merkt, bitte die Version für Physik und Mathe Noobs, das waren, wie ihr in meiner Beschreibung merkt, noch nie so meine Fächer ^^.

Vielen Dank und Gruß
Sven

Raketen stoßen sich nicht an der Luft sondern am Treibstoff ab. Wenn du mit ner Pistole schießt, dann gibt es auch einen Rückstoß. Und der Rückstoß ist genauso groß wie der Impuls der Kugel. Die Rakete erfährt also den Rückstoß des ausgestoßenen Gases. Impuls ist Masse mal Geschwindigkeit. Daher ist es auch gut ein Triebwerk mit hoher Ausströmgeschwindigkeit zu haben, weil man man dann weniger Masse abstoßen muss.

PS: Daher sind die ganzen Szenen im Fernsehen, wo die von einer Kugel getroffenenen Menschen umgestoßen werden, unrealistisch. Denn dann müsste der Schütze auch umgestoßen werden.

Danke für die promte Antwort. Jetzt muss ich nochmal ganz blöd fragen: wenn ich also mit einer Pistole im Weltall schieße, würde ich dann auch einen Rückstoß erfahren? Ich muss ehrlich zugeben das ich da noch nicht so ganz hintergekommen bin, was eher an meiner Begriffsstutzigkeit liegt, als an deiner guten Erklärung
Wie kann das Gas einen Rückstoß erzeugen, wenn es in einen Luftleeren raum ausgestoßen wird? Ich stell mir das so vor, das wenn etwas ausgestoßen wird, das diese Teilchen dann auf einen kleinen Widerstand stoßen, und somit sich ein Schub erzeugt. Nur im Weltall gibt es ja keinen Widerstand.  (das ist bestimmt schwer zu verstehen was ich meine )
Also was ich versuche zu sagen: wenn ich einen Gegenstand im Weltall anstoße, fliegt er ja in einem konstanten Tempo weiter, da kein Widerstand seine Geschwindigkeit bremst. Wieso fliegt das ausgestoßene Gas dann nicht auch einfach immer weiter und das Shuttle bewegt sich nicht?
Oder eine weiter Frage zu meinem Verständnis: Wenn ich im Weltall vor einem Stein meiner selben Masse "schwebe" und ich den wegstoße, fliege ich dann mit der hälfte der erzeugten Energie entgegen der Stoßrichtung?  Und der Stein mit der selben Geschwindigkeit in die Stoßrichtung?

Ich weiss, das ganze wäre bestimmt besser auf dem Raumcon Treffen in Hannover zu erklären aber leider hab ich da keine Zeit.

Bitte nicht die Geduld mit mir verlieren  ich geb mir wirklich Mühe 

Nochmals vielen Dank und Gruß
Sven

Setzt Dich mal auf ein Bobbicar oder ähnliches und wirf einen schweren Rucksack von Dir weg (besser ohne Laptop drinnen). Du wirst Dich mit dem Bobbiecar nach hinten bewegen. Das ist das gleiche Prinzip. Wie Du Dir vorstellen kannst, hat das wegwerfen nichts mit dem Abstoßen an der Luft zu tun, außer Du hast am Rucksack RiesenFlügel dran 

Wenn Du im Weltraum was von Dir nach vorne wegwirfst, da gehts für Dich auch nach hinten. Und eine Rakete macht das eben ein bisschen effektiver, mit sehr schnell ausströmenden Gas! 

Das ist ja gerade das Problem der Raumfahrt. Vortrieb kann nur durch das Ausstoßen von Masse erzeugt werden. Daher bestehen die Raketen ja zum größten Teil nur aus Treibstoff. Bei chemischen Raketen ist die Energie für das Ausstoßen des Treibstoffs direkt im Treibstoff gespeichert und wird durch eine chemische Reaktion freigesetzt. Beim Ionenantrieb muss eine extra elektrische Energiequelle (z.B. Solarzellen) bereitgestellt werden um das Xenon Gas zu beschleunigen.

Wenn du einen Antrieb erfindest, der ohne das Ausstoßen von Masse auskommt, dann bekommst du den Physiknobelpreis. Garantiert!

Im erdnahen Raum kann mittels eines elektrisch geladenen Seiles auch Vortrieb oder Abbremsung erzeugen, allerdings bin ich gerade unsicher, ob das schon erfolgreich getestet wurde. Dann kommt man ohne das Rückstoßprinzip aus. Dann gibt es noch abenteuerliche Konzepte, wo die Physik dahinter noch nicht experimentell überprüft wurde.

Dann gibt es auch noch das Sonnensegel. Da hast du ein Großes Segel, wo Teilchen von der Sonne gegenknallen und ihren Impuls an das Segel abgeben. Leider sind alle Sonnensegelexperimente verhext, da bisher alle an einem Trägerraketenversagen gescheitert sind. 

ok, vielen dank!!!
Jetzt ist es klar. Grad noch beim Mittagessen über alles nachgedacht und der Groschen ist gefallen. Danke für eure Hilfe!!!!

Viele Grüße,

Sven

Ich lasse das immer von Personen vorführen, früher mit Rollschuhen, heute mit Inlinern.

Zwei Personen stellen sich gegenüber auf. Jetzt ist es egal, ob nur einer sich abstößt oder beide, im Endeffekt rollen beide Personen in entgegengesetzte Richtungen.

GG

Die Frage war ja nicht so sehr, wie das mit dem "Abstoßen" (Impulserhaltung) an sich funktioniert, sondern woran sich eine Rakete abstößt, wenn da oben keine Luft ist. Die Frage stellen mir auch immer wieder mal gestandene Techniker auf Arbeit ...
Tobias hat das schon gut erklärt, es ist einfach der Treibstoff selbst, der durch die um gesetzte chemische Energie aus der Verbrennung expandiert und nach hinten beschleunigt.

PS: Daher sind die ganzen Szenen im Fernsehen, wo die von einer Kugel getroffenenen Menschen umgestoßen werden, unrealistisch. Denn dann müsste der Schütze auch umgestoßen werden.

Dazu muss ich mal jein sagen. Die Analogie greift zu kurz. Je nach Waffe macht man schon ein oder zwei Schritte zurück, wenn man im Stehen feuern würde. Aber viel wichtiger ist, dass der Rückstoß in einer Feuerwaffe zur Arbeit genutzt wird (Entriegeln des Verschlusses, erneutes Spannen). Außerdem werden auch Dämpfungselemente eingebaut. Auch kann man durch seine Körperhaltung beim Feuern das eine oder andere Stabilitätsproblem ausgleichen, was dem getroffen Objekt wohl eher verwehrt bleibt.

EDIT
Ach ja, an sich hast du aber schon Recht, Tobias . Ich wollte nur zeigen, dass der Überschlag nicht ganz so einfach/offensichtlich ist.

Hallo Daniel,

So ne Pistolenkugel wiegt so maximal 10g=0.01kg, eher weniger. Bei einer Mündungsgeschwindigkeit von 500 m/s macht das 0,01 kg*500 m/s=5 kg m/s.

Das wär also ob ich 5 kg mit einer Geschwindigkeit von 3,6km/h stoppen müsste.

Da hat ein leichter Tritt mit dem Fuß schon einen größeren Impuls.

Nachtrag: Ok du hast da noch einen Nachsatz...

Um es dir besser vorstellen zu können, nimm ein Beispiel:

Hast du ine Badewanne mit Brausekopf samt flexiblem Wasserschlauch?

Wenn ja: lass sie runterhängen, und schalte das Wasser ein. Dann stößt sie sich nach oben ab und verbleibt in einem Zustand der scheinbaren schwebe (Gewise Höhe je nach Wasserdurchsatz-menge)

Wenn du jetzt deine hand darungter gibst, direkt unter den Brausekopf, dann wirst du merken: Die Brause verbleibt triotzdem auf gleicher Höhe, obwohl man sich eigentlich denkt, dass es sich von der Hand stärker abstossen würde.

Ist aber eben nicht so. Somit habe ich es mir neulich selber bewiesen.

Zum Beispiel mit den 2 Steinen mit gleicher Masse: Ja, das stimmt: 1/2 * Geschwindigkeit * (-1)^x

Also ein positiver Vektor der Geschwindigkeit und ein Negativer (sprich genau entgegengesetzte Geschwindigkeiten)

Kann man nicht eine Railgun artige Bescheunigunsrampe in einzellteilen auf Mond schaffen?
Wenn das Teil sich noch über Photovoltaik auladen lässt, hätte man doch so eine art selbstaufladende Tankstelle im All.

Auch wenn 8 Jahre zwischen letzem und vorletzen Post vergangen sind, weiter zu schreiben kann ja nicht schaden

Ja, man könnte natürlich eine Railgun auf dem Mond installieren.

Aber mit einer Railgun kann man keine Raketen ersetzen. Das geht leider Physikalisch überhaupt nicht.

- Möchte ich z.B. zum Mars, ist der Mond sogar ein Umweg. Mit dem Treibstoff, den ich auf dem Mond für die Landung benötige, könnte ich locker bis zum Mars weiter kommen. Und dort kann ich mit der Atmosphäre bremsen, was auf dem Mond nicht geht.

- Eine Railgun erzeugt keinen Treibstoff. Sobald ein Geschoss die Gun verlassen hat, wäre es nur noch Passiv und könnte seine Geschwindigkeit nicht mehr anpassen oder ändern.

- Eine Railgun erzeugt nicht ansatzweise die notwendige Energiemenge die man braucht. Energie kann man nicht erzeugen sondern nur umwandeln. Man müsste die Energie also z.B. in Akkus speichern. Aber diese Akkus müsste man ja auf der Erde bauen und zum Mond schicken. Alleine das lohnt sich nicht.

- Nehmen wir an, man würde genügend Akkus zum Mond schicken und eine Railgun bauen die das könnte. Jetzt könnte man ggf. Steine in richtung Mars schießen (Ob man treffen würde ist natürlich was ganz anderes) aber würde man einen Satelliten laden, den würden die Beschleunigungskräfte es beim Start vernichten.

- Auf dem Mond ist ein Tag fast einen Monat lang. Man hätte also einen halben Monat Sonne und dann einen Halben Schatten. Nicht sonderlich gut.

- Edit: Ganz grob überschlagen müsste eine Railgun 1000 Kilometer lang sein. So etwas großes auf dem Mond zu bauen, nur um "Treibstoff" zu nutzen macht nicht wirklich sinn.

- Edit: Ganz grob überschlagen müsste eine Railgun 1000 Kilometer lang sein. So etwas großes auf dem Mond zu bauen, nur um "Treibstoff" zu nutzen macht nicht wirklich sinn.

Die Fluchtgeschwindigkeit vom Mond beträgt laut Wiki 2380 m/s
Wenn man mit sagen wir mal 10g beschleunigt (was ja fast noch Menschentauglich ist und für Materialtransport kein Problem), dann muss man ca. 24 Sekunden beschleunigen und legt dabei einen Weg von 24km zurück. Das ist schon eine andere Größenordnung als 1000km.
Bei 100g Beschleunigung wäre es dann nur noch 2,4s auf 2800m Railgun-Strecke. Damit könnte man also Eis, Metal u.ä. ohne Treibstoff in (genau) einen Orbit bekommen.

Nehmen wir mal diese Zahlen, dann bedeutet das, wir müssten eine Schiene bauen von ca. 40 km Länge (schließlich muss der Beschleunigungsschlitten auch wieder abgebremst werden, sagen wir mal mit 20g), die sehr genau linear verläuft.

Angenommen man findet einen flachen Gebirgshang, der eine optimale Steigung über diese 40 km aufweist, so bräuchte man

- ca. 400 (Beton?-)Stützen mit Längen bis 100m oder mehr, je nach Geländeeigenschaften. Diese müssten vor Ort produziert und im Mondboden solide verankert werden, schließlich müssen auch die Beschleunigungs-/Bremskräfte abgefangen werden,

- 400 Schienen mit einer Länge von jeweils 100m, diese müssten in einem entsprechend großen Stahlwerk/Walzwerk (auf dem Mond) produziert werden. Voraussetzung ist, dass man auf dem Mond zunächst ein Hüttenwerk errichtet, das aus Mondmaterial Stahl erzeugen kann. Diese Schienen müssten (womit?) an den jeweiligen Montageort gebracht und in den entsprechenden Höhen eingebaut werden,

- viele zig Tonnen an Material, das auf der Erde erzeugt werden muss (E-Magnete, "Kleinteile", Kabel, Steuerung),

- und schließlich einen Ort, an dem dieses Projekt sinnvoll(!) ist, d.h. wo man mit geringen Mitteln Material abbauen und in einen ökonomisch nutzbaren Transport-Zustand versetzen kann (bspw. Wassereis).

Und selbst wenn ich einen Klumpen von ein paar Tonnen Gewicht in eine Umlaufbahn schießen kann, muss das Material dann erneut aufgeschmolzen, zerkleinert o. ä. werden, um es nutzen zu können. Wobei ich vermute, dass es erhebliche Widerstände auf der Erde geben wird, wenn man die Ladungen vom Mond direkt (ballistisch) und damit unkontrolliert in einen Erdorbit befördern möchte.

Auf der Erde wäre ein solches Projekt "ziemlich ambitioniert", obwohl wir hier über die erforderlichen industriellen Einrichtungen verfügen, auf dem Mond allerdings ist es, hmm ...??

Robert

edit: Je mehr ich darüber nachdenke, umso absurder wird so ein Projekt:

Angenommen, man möchte eine Masse von 10 Mg (ein Eiswürfel von ca. 2m Kantenlänge) + Schlitten mit 10g beschleununigen, dann müsste jede einzelne Stütze eine Horizontalkraft von ca. 20t aufnehmen und in den Mondboden einleiten, da die einzelnen Schienenabschnitte nicht fest miteinander verbunden sein können. Grund:

Der thermische Ausdehnungskoeffizient für Stahl beträgt ca. 10^-5/K, d.h. bei der Länge einer Schiene von 100m und einem Temperaturunterschied von ca. 150K ändert sich die Länge eines einzelnen Abschnitts während eines Mondtages um ca. 15cm. Diese Ausdehnung muss von den einzelnen Stützen kompensiert werden.

Und die Energieversorgung mittels gewaltiger Akkumulatorenbänke, die ihre gespeicherte Energie in Sekundenbruchteilen an den jeweiligen Schienenabschnitt abgeben müssen, ist für mich so unvorstellbar, dass ich mir eine Abschätzung einfach erspare. Die Speicherung von elektrischer Energie ist halt ein erheblicher Schwachpunkt s. Elektroautos auf der Erde.

Die Fluchtgeschwindigkeit vom Mond beträgt laut Wiki 2380 m/s
(...) und legt dabei einen Weg von 24km zurück. (...)

Die Fluchtgeschwindigkeit ist leider nur ein Teil von dem, was gebraucht wird. Wie bestimme ich die Flugrichtung? Was, wenn die Railgun zum Mondäquator zeigt, aber ich in Richtung Mondpol starten möchte? Wie komme ich hin oder später wieder zurück zum Mond?

Die Falcon9 z.B. reduziert ihre Leistung irgendwann. Meistens bei ca. 3 G. Da ist nichts mit 20 G. Der Grund ist auch ganz einfach: Es gibt ein Maximalgewicht für den Satelliten. Je leichter man die Struktur baut, desto mehr Masse dürfen die Instrumente haben. Es gibt sogar Militärische Satelliten, die darf man nichtmal hinlegen, auf der Erde. 1G Beschleunigung "von der Seite" würde diese Satelliten zerstören.

Zitat von: trallala am 06. November 2016, 10:38:38

Die Fluchtgeschwindigkeit vom Mond beträgt laut Wiki 2380 m/s
(...) und legt dabei einen Weg von 24km zurück. (...)

Die Fluchtgeschwindigkeit ist leider nur ein Teil von dem, was gebraucht wird. Wie bestimme ich die Flugrichtung? Was, wenn die Railgun zum Mondäquator zeigt, aber ich in Richtung Mondpol starten möchte? Wie komme ich hin oder später wieder zurück zum Mond?

Ich hatte ja schon geschrieben, dass man auf genau einen Orbit festgelegt ist. Das halte ich persönlich für nicht so tragisch, da man vermutlich meisst Richtung Erde oder Sonnensystem will und damit die Äquatorebene eine gute Wahl ist.

Die Falcon9 z.B. reduziert ihre Leistung irgendwann. Meistens bei ca. 3 G. Da ist nichts mit 20 G. Der Grund ist auch ganz einfach: Es gibt ein Maximalgewicht für den Satelliten. Je leichter man die Struktur baut, desto mehr Masse dürfen die Instrumente haben. Es gibt sogar Militärische Satelliten, die darf man nichtmal hinlegen, auf der Erde. 1G Beschleunigung "von der Seite" würde diese Satelliten zerstören.

Es ist ja die Frage, was man mit dieser hypothetischen Beschleunigerstrecke starten will. Sie ist höchstens dann sinnvoll, wenn man sehr viel zu starten hat. Mir kommt da Rohmaterial wie z.B. Eis (für Treibstoffproduktion im Orbit) oder Metal (um irgendwas großes im Orbit zu bauen) in den Sinn. Diese Rohmaterialien würden vermutlich sogar noch mehr als 100g vertragen. Also könnte man die Beschleunigerstrecke sogar noch weiter verkürzen.
Alles was mit der Railgun gestartet wird braucht entweder mindestens einen kleinen Antrieb, oder muss im ersten Mondumlauf "eingefangen" und weiter beschleunigt werden, da die Bahn sonst wieder genau beim Abschussort vorbeikommt. Möglich wäre auch noch eine größere Beschleunigung, damit das gestartete Material den Mondorbit verlässt. Dann bräuchte man gar keinen Antrieb.

Wenn man mal etwas starten möchte, das nicht so hohe Beschleunigung verträgt, also z.B. Satelliten oder Menschen, dann kann man natürlich trotzem die Railgun benutzen. Man erreicht dann halt keine Orbitgeschwindigkeit und muss nach dem Start noch die Triebwerke einsetzen. Man spart also Treibstoff und kann vermutlich ein schwächeres/kleineres/leichteres Triebwerk verwenden.

Die ganze Railgun lohnt sich aber wenn dann überhaupt nur, wenn man auch richtig viel Masse vom Mond starten muss. Das ist in absehbarer Zeit aber nicht der Fall. Technologisch wäre es aber heute schon machbar.

Nur ein kurzer Einwurf:
Die Idee einer Railgun für Weltraumanwendungen wird eigentlich als Massetreiber (engl.: mass driver) bezeichnet, hat schon ein paar Jahre auf dem Buckel und wurde eingehend (zumindest theoretisch) untersucht, nicht zuletzt auch durch den eigentlichen Vater der Idee, dem berühmten Physiker Prof. O'Neill (ja, der mit den O'Neill-Zylindern).
http://www.permanent.com/space-transportation-mass-drivers.html


Als O'Neill auf einem Sabbatical am MIT war, wurde sogar aus Überbleibseln des Bittermagnet Labors ein kleiner Demonstrator gebaut, wobei sehr wenig über dessen Leistungsdaten bekannt ist (außer dass er es auf 30g Beschleunigung gebracht haben soll)
https://en.wikipedia.org/wiki/Mass_Driver_1


Nachtrag:
Laut Aussage des von O'Neill gegründeten SSI (Space Studies Institute) gab es scheinbar auch einen Kleindemonstrator mit bis zu 1800g Bechleunigung (Mass driver III): http://ssi.org/introduction-to-research/research-report/#mass-driver-altitude
Und hier die Anleitung nebst Video zum Selbstbasteln: http://ssi.org/category/mass-drivers/.....nein, nix mit 1800g

für den reinen Materialtransport dürfet man keine 100m brauchen.
http://www.pcwelt.de/news/Railgun-US-Marine-ruestet-Zerstoerer-mit-fuerchterlicher-Waffe-aus-9931900.html
2382m/s und das bei Atmosphäre. Auf dem Mond sollte man das noch deutlich kleiner hinbekommen könne (oder eben für mehr Transportmasse)

für den reinen Materialtransport dürfet man keine 100m brauchen.
http://www.pcwelt.de/news/Railgun-US-Marine-ruestet-Zerstoerer-mit-fuerchterlicher-Waffe-aus-9931900.html
2382m/s und das bei Atmosphäre. Auf dem Mond sollte man das noch deutlich kleiner hinbekommen könne (oder eben für mehr Transportmasse)

Und wie bremst/koppelst Du?

http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/uss-zumwalt-us-zerstoerer-verfeuert-800-000-dollar-pro-schuss-a-1120625.html

Die scheinen übrigens wieder davon abzugehen.

Micha

entweder auf die gleiche Weise oder jedes Projektil enthällt sin eigenen Schlitten.

Die scheinen übrigens wieder davon abzugehen.

Ist für einen Zerstörer vielleicht auch nicht die richtige Anwendung, hat mit dem Thema hier ja auch nicht viel zu tun.

Habt ihr beiden eigentlich gelesen, was ihr da postet?

Zu teuer ist das klassische Geschütz der Zumwalt, als ALTERNATIVE wird jetzt der Einbau der Railgun erwogen.

@websquid

man ist bei der Rail-gun aber skeptisch, weil die Reichweite nur 50km beträg und die Präzision etwas geringer ist. 

Das Thema Passt gerade zu meiner Frage, der Impulserhaltung der ausgestoßene Stützmasse in Vakuum.

Nehmen wir an, eine Rakete Stößt bei 8000 m/s (Orbitalgeschwindigkeit) ein Wasserstoffmolekül mit 4300 m/s aus. Ist der „Ruhe Impuls“ jetzt die 4300 m/s oder muss man davon die Orbitalgeschwindigkeit der Rakete abgezogen werden? Also: 4300 m/s (ISP) Minus 8000 m/s (Orbitalgeschwindigkeit) = 3700 m/s  End-Geschwindigkeit des Wasserstoffmoleküls...

Impulserhaltung gilt in einem Inertialsystem, also  in einem "nicht beschleunigten Bezugssystem". Das ist praktisch deine zweite Alternative. Die Größen müssen gegenüber diesem "ruhenden" System beschrieben werden.