Ruimtevaartuigen Een vervoermiddel om de grote lege ruimte

Ruimtevaartuigen: Een (vervoer)middel om de grote lege ruimte het hoofd te bieden Barry (B. T. C. ) Zandbergen Faculteit Luchtvaart & ruimtevaart techniek, TU-Delft WND conferentie, 13 -14 december 2013 Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013

Ruimtevaartuigen Rosetta komeetverkenner Wetenswaardigheden: Ø Lancering in 2004 Ø Aankomst bij doel: 2013 Ø Afstand tot doel: 800 miljoen km Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013

Inhoud • Ruimtevaartuig als vervoer/transport middel • Opbouw ruimtevaartuig – Aandrijving – Energievoorziening – Warmtehuishouding – Communicatie • Vragen? ? Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013

Ruimtevaartuig als vervoermiddel VW bus: Afmetingen: 5. 3 × 1. 9 m 3 Totaalgewicht: 3000 kg Massa lading: 1400 kg (45%) Delft University of Technology Challenge the future Rosetta: Afmetingen: 2. 8 × 2. 1 × 2. 0 m 3 Lanceermassa: 3000 kg Massa lading: 165 kg (5. 5%) WND conferentie 2013

Afstanden en reisduur Reisduur: 9 jaar Afstand (in rechte lijn): ~800 miljoen km (5 AE) Afgelegde afstand: 7. 1 miljard km Reissnelheid (gemiddeld): 25. 0 km/s Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013

Ruimtebanen & kegelsneden Ruimtebanen hebben een vorm vergelijkbaar met kegelsneden (attractiecentrum vormt brandpunt van kegelsnede) In geval van passief voorwerp => geen energie-uitwisseling met omgeving: Som van kinetische en potentiële energie is constant Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013

Omloopsnelheid en -tijd Zwaartekracht Massa M Baan straal R Satelliet met omloopsnelheid v Omlooptijd T: Circulaire baan: valversnelling = centripetale versnelling Algemeen: Snelheid neemt af met toenemende afstand Delft University of Technology Challenge the future Algemeen: Kwadraat van omlooptijd T is evenredig met derde macht van halve lange as van baan WND conferentie 2013

Opbouw van een ruimtevoertuig Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013

Raketaandrijving Start massa van 3000 kg van Rosetta omvat 1720 kg aan benodigde stuwstof (brandstof en oxidator) voor raketaandrijving Actie = Reactie Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013

Raket aandrijving: Werking • Principe: Wet van behoud van impuls • • Veronderstel skateboard + skater in stilstand Massa skater (M 1) = 70 kg Massa skateboard (M 2) = 2 kg Skater springt van skateboard met horizontale snelheid 1 m/s Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013

Werking (vervolg) Zelfde board, maar nu is skater vervangen door 4 dwergen met elk een massa van 5 kg. • Optie I: Dwergen springen tegelijkertijd in zelfde richting van board met horizontale snelheid 1 m/s • Optie II (raket): Dwergen springen na elkaar van board in zelfde richting en met horizontale snelheid 1 m/s • Eindsnelheid van board is …. ? Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013

Aandrijving Rosetta • Raketvergelijking: • Rosetta: – Uitstroomsnelheid: 3 km/s – Startmassa: 3000 kg – Eindmassa: 3000 -1720 = 1280 kg – Snelheidsverandering voertuig: 2. 55 km/s Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013

Instrumenten en energie • Kleine satellieten (gloeilamp) • Middelgrote satellieten (haardroger) • Grote satellieten (huis) Vermogen Rosetta kometenverkenner is …. . ? Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013

Energievoorziening Rosetta genereert een elektrisch vermogen van 850 W op 3. 40 AE en 395 W op 5. 25 AE Zonnepanelen Paneeloppervlakte: 64 m 2 Spanwijdte: 32 m Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013

Beschikbaar vermogen Delft University of Technology Challenge the future Intensiteit S op afstand R van Zon is evenredig met uitgestraald vermogen P en omgekeerd evenredig met boloppervlak met straal R: S = P/(4 p. R 2) WND conferentie 2013

Rendement van omzetting Zonneflux op 1 AE: 1350 W/m 2 Beperkt rendement 1 m 2 zonnepaneel met Gallium cellen levert ~ 160 W/m 2 Rosetta: Op afstand 3. 4 AE is flux 12 x kleiner (flux neemt af met kwadraat afstand tot de bron) en bedraagt 11 W/m 2 Voor 850 W => ~64 m 2 paneel nodig Op 5. 25 AE resteert: 1/(5. 25)2 * 160 W/m 2 * 64 m 2 = 370 W Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013

Alternatieve energievoorziening Nucleaire generatoren Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013

Warmtehuishouding • Temperatuur lege ruimte: 4 K • Satelliet functioneert best bij kamertemperatuur • Satelliet ontvangt warmte van Zon en straalt zelf uit naar omgeving. • In evenwichtssituatie inkomende straling is in balans met uitgaande straling. • Voor bolvormige satelliet met straal R: • Warmte in: a (S x p. R 2) • Warmte uit: es(Tsat)4 x 4 p. R 2 • Op 5 AE met satelliet straal 2 m: • Satelliet is zwart lichaam (e = a = 1) Tsat = 175 K (-100 o. C) Warmtebalans => Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013

Warmtehuishouding • Aarde is satelliet van Zon • Straal Aarde is 6378 km • Aarde beschouwd als zwart lichaam • Voor bolvormige satelliet met straal R: • Warmte in: S x p. R 2 • Warmte uit: s(TAarde)4 x 4 p. R 2 Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013

Temperatuur regelen met dekens 1 AE afstand van de Zon Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013

Temperatuur variaties Omlooptijd satelliet in cirkelbaan om hemellichaam is evenredig met straal van de baan tot de 3 e macht. Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013

Radio - communicatie Afstand tot Zon Aarde: 1 AE Mars: 1. 5 AE Lichtsnelheid: 300, 000 km/s Maximale tijd benodigd voor radio signaal om afstand Aarde - Mars te overbruggen: 21 minuten Tijdsduur = Afstand / lichtsnelheid Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013

Radio - communicatie Vermogenssterkte radiosignaal: Vergelijkbaar met gloeilamp van 50 – 250 W Bij constant uitgestraald vermogen volgt: Flux is vermogen/boloppervlak => Vermogen ontvangen door ontvanger neemt af met afstand tussen zender en ontvanger in het kwadraat. Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013

Radio - communicatie Roeptoeter/geluidstrechter Geluidshoorn Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013

Bedankt voor de aandacht ! Vragen ? B. T. C. Zandbergen@tudelft. nl Delft University of Technology Challenge the future WND conferentie 2013