¿Características generales de un "avión" para atmósferas de planetas gaseosos?

Aquí hay un gran lugar para comenzar: Interplanetary Cessna - XKCD What If?

Como humano en la Tierra, tiene una gran ventaja para determinar lo que necesita, ya que el sistema solar tiene 4 gigantes gaseosos propios, cada uno bastante bien estudiado y visitado por numerosas sondas. La pregunta What If de Randall Munroe se centró en utilizar un avión terrestre ordinario, el Cessna 172 (uno de los más comunes en Norteamérica) que, para la mayoría de los gigantes gaseosos, resulta ser un ejemplo de lo que no se debe hacer.

Modelemos su propio gigante gaseoso a partir de Júpiter; no es tan amigable como Saturno para los viajes aéreos, pero es el primer gigante gaseoso en el que pensará un lector casual, y la mayoría de los planetas que conocemos son gigantes gaseosos "súper jovianos" incluso más grandes que Júpiter. Los problemas a los que te enfrentarás se hacen más grandes a medida que lo hace el planeta, porque la gravedad del planeta limita el espesor de una atmósfera gaseosa real. Su rango habitable de presiones atmosféricas similares a las de la Tierra terminará aproximadamente a la misma altura por encima de la transición a una capa líquida, mientras que la gravedad de esa bola cada vez más grande de hidrógeno líquido debajo de usted hará que sea mucho más difícil mantenerse a flote que el tamaño. del planeta aumenta. Si puede resolver los problemas de Júpiter, será mucho más fácil resolver los problemas de un gigante más pequeño como Saturno, y usted...

Aquí hay una breve lista de las cosas que necesitará su avión joviano:

• Oxidante donde normalmente va el combustible. La mayoría de los gigantes gaseosos son principalmente hidrógeno; hay relativamente poco de cualquier otra cosa, perohidrógeno en cualquier lugar para hacer un planeta de este tamaño (aunque hemos encontrado "mega-Tierras", principalmente planetas sólidos muchas veces la masa de la Tierra, los superjovianos son mucho más comunes entre los exoplanetas catalogados hasta la fecha). Eso significa que su avión vuela con su propio combustible, a diferencia de un avión terrestre que vuela con su propio oxidante. Sus motores, si "respiran aire", en realidad aspirarán la atmósfera de hidrógeno, la combinarán con el oxígeno de sus tanques de almacenamiento internos y encenderán esa mezcla para producir empuje a partir del gas calentado. Es una forma un poco al revés de pensar en ello, pero siempre y cuando hagas las mezclas correctas, funciona exactamente de la misma manera (aparte del hecho de que principalmente por razones de seguridad, pero también por algunas razones prácticas, los aviones modernos no funcionan con hidrógeno).

• Grandes alas y mucho empuje. A presiones atmosféricas comparables a la atmósfera de la Tierra, la gravedad de Júpiter es aproximadamente dos veces y media mayor que la de la Tierra. Vaya más alto para reducir la gravedad relativa, y tendrá menos gas fluyendo sobre sus alas para generar sustentación y a través de sus motores para producir empuje (y no llegará a ninguna parte cerca de la gravedad de la Tierra mientras aún esté en algo que llamaría la atmósfera de Júpiter) . Entonces, necesita un avión con aproximadamente 2,5 veces la relación de elevación a masa y empuje a masa de un avión diseñado para la Tierra, porque ese mismo avión, de la misma masa, pesará 2,5 veces más en la atmósfera de Júpiter, y así la elevación al peso y el empuje al peso se reducirán por el mismo factor.

  Tenemos que lidiar con este tipo de matemáticas con bastante regularidad al diseñar aviones terrestres. El volumen interior de un avión de pasajeros es un análogo aproximado del peso máximo de despegue del avión, debido a una combinación de regulaciones, física y simple sentido común sobre cosas como el espacio aéreo mínimo por pasajero que hace que regresen para otro vuelo en su sardina. latas Cuanto más pesado sea el avión, más grandes deben ser sus alas, sin embargo, las alas no se escalan de la misma manera que los fuselajes; si la sección transversal del ala se vuelve demasiado gruesa, termina aumentando demasiado la resistencia del borde de ataque, por lo que las superficies aerodinámicas más eficientes para aviones grandes siguen siendo relativamente delgadas a medida que aumentan la envergadura y la longitud de la cuerda. Esto significa que los superjumbos como el B747 y el A380 tienen áreas de ala mucho más grandes en relación con la "huella" de su fuselaje en comparación con las más pequeñas.

  Su avión joviano, para el mismo volumen, pesará 2,5 veces más que la Tierra. Podemos compensar eso en la atmósfera de la Tierra simplemente aumentando la masa en 2.5x para el mismo volumen de aeronave. Da la casualidad de que el Boeing 737-800 y el Boeing 767-300ER tienen casi exactamente la relación necesaria en el peso máximo de despegue. Entonces, en teoría, si tomas las alas y los motores del 767 y los pones en un 737, tienes aproximadamente la sustentación necesaria que se necesitaría para volar ese 737 en Júpiter. Eso aumentaría la envergadura en aproximadamente dos tercios (de 93 'a 156') y triplicaría el área del ala (979.9 pies ^ 2 a 3050 pies ^ 2). También iría más allá de cualquier posibilidad de que los motores estén colgados debajo de las alas (el motor superior a la serie -300 ya requiere la "bolsa de hámster" no circular

• Interior totalmente sellado, al menos para los habitantes que respiran oxígeno.La atmósfera de Júpiter nuevamente es principalmente hidrógeno, realmente no quieres nada de eso dentro de los espacios habitables de la aeronave. El hidrógeno tiene uno de los rangos de inflamabilidad más amplios de cualquier gas inflamable; en concentraciones tan bajas como el 5 % y tan altas como el 95 % en una mezcla de aire de proporciones similares a las de la Tierra, se encenderá, y en cualquier cosa menos en los extremos absolutos de ese rango explotará espectacularmente, con la proporción estequiométrica del hidrógeno en el aire siendo alrededor del 9,5%. Por lo tanto, si bien su avión en realidad no tiene que mantener tanto diferencial de presión para volar en la atmósfera de Júpiter (aunque obtendría un beneficio similar de reducción de la resistencia al volar más alto que las presiones del nivel del mar de la Tierra, y probablemente desee algún tipo de de la clasificación de presión de aplastamiento en caso de que un avión descendiera más profundo por cualquier motivo), la cabina de pasajeros debe estartotalmente hermético.

  El problema es que los aviones no son y nunca han sido herméticos; hacen circular aire exterior hacia la cabina desde las etapas iniciales de compresión de su motor, enfriado con intercambiadores de calor, para mantener las presiones a nivel del mar dentro de la cabina. Incluso a un cuarto de billón de dólares o más cada uno, es demasiado caro para el fabricante entregar un avión que sea totalmente hermético, y demasiado caro para la aerolínea mantenerlo así, sin mencionar que cambiar el aire dentro de la cabina es la forma más fácil de mitigar los olores desagradables (como el pasajero tres filas más arriba que realmentedebería haberse duchado antes de subirse a un avión). La presión positiva de la cabina, bastante fácil para la mayoría de las fases del vuelo, garantizaría que cualquier mezcla de hidrógeno y oxígeno debido a una fuga ocurra fuera del avión, pero ese oxígeno debería ser reemplazado, lo cual es un problema propio.

• IFR Total con Navegación Satelital. Casualmente vemos una ciudad construida sobre un gigante gaseoso para parecerse a Bespin de Star Wars; una metrópolis imponente ubicada convenientemente en las capas superiores de nubes del planeta de las cuales está extrayendo material útil.

  En realidad, con la presión de la Tierra, lo que obtendrás se parece menos a Bespin y más a Beijing, cuando los Juegos Olímpicos no están en la ciudad:

  En vuelo, hay dos conjuntos básicos de reglas para volar. Las reglas de vuelo visual o VFR son para cuando puedes ver a dónde vas. Las reglas de vuelo por instrumentos o IFR son para cuando no se puede. La atmósfera de Júpiter a presiones similares a las de la Tierra definitivamente será la última, lo que requerirá que los pilotos dependan principalmente de los instrumentos para navegar. Eso en sí mismo no es un problema tan grande como parece; los pilotos de líneas aéreas vuelan usando IFR casi todo el tiempo por una combinación de seguridad y practicidad. Los problemas se centran en la diferencia muy básica entre la Tierra y Júpiter; nada está anclado al suelo, porque cualquier "suelo" del que se pueda hablar es decenas de miles de kilómetros más profundo y miles de grados más caliente de lo que cualquier persona o cosa puede sobrevivir.

  Júpiter tiene una magnetosfera; bastante fuerte, de hecho, aproximadamente diez veces la fuerza del campo y 18000 veces el momento magnético, por lo que el mayor problema que tendrá con una brújula tradicional es lidiar con una inmersión magnética severa (el imán se orientará a lo largo de las líneas del campo magnético , que no son perpendiculares a la gravedad ni paralelos a la "superficie" por la que estás volando). Una brújula esférica llena de líquido tendría que ser un poco más grande de lo normal para mantener las líneas de acimut precisas y legibles en latitudes más altas de la esfera a medida que la brújula se hunde, o simplemente podría deshacerse del imán y usar magnetómetros de estado sólido, que son lo que usan los aviones de pasajeros modernos (porque los datos pueden introducirse fácilmente en pantallas de vuelo digitales y directores de vuelo/pilotos automáticos computarizados).

  El mayor problema es que, a diferencia de cualquier característica del terreno en la Tierra que solo se movería en relación con objetos muy lejanos en otras placas, e incluso entonces solo a una velocidad de un par de pulgadas por año, una ciudad flotando en la atmósfera de Júpiter se moverá. ser arrastrado por chorros zonales con un promedio de 60 mph y azotado por verdaderas tormentas que superan incluso la escala mejorada de Fujita para tornados, con velocidades de viento de más de 350 mph. Estos jets zonales se mueven en direcciones opuestas, por lo que más de una ciudad en más de una latitud (que tendrías, de lo contrario, ¿para qué molestarse en volar) significaría que los planes de vuelo entre las dos ciudades se verían más como trayectorias orbitales que como planes de viaje terrestres. Su curso estimado de una ciudad a otra lo haría volar a lo largo de un camino que compensa no solo la distancia que la ciudad de destino se moverá a lo largo de su propia corriente zonal durante su tiempo de vuelo, sino también las velocidades relativas del viento de todas las capas que usted' ll viajará en su camino hacia allí, lo que lo llevará a la izquierda y a la derecha a medida que avanza hacia el norte o el sur alrededor del planeta. Debe tener en cuenta la dirección predominante del viento y la velocidad promedio en la Tierra, ya que volará a través de una masa de aire que se mueve en relación con la superficie de la Tierra, pero la triangulación requerida para su plan de vuelo terrestre promedio no tendría nada en el matemáticas para calcular su curso alrededor de Júpiter. que te hará volar de izquierda a derecha a medida que te muevas hacia el norte o el sur alrededor del planeta. Debe tener en cuenta la dirección predominante del viento y la velocidad promedio en la Tierra, ya que volará a través de una masa de aire que se mueve en relación con la superficie de la Tierra, pero la triangulación requerida para su plan de vuelo terrestre promedio no tendría nada en el matemáticas para calcular su curso alrededor de Júpiter. que te hará volar de izquierda a derecha a medida que te muevas hacia el norte o el sur alrededor del planeta. Debe tener en cuenta la dirección predominante del viento y la velocidad promedio en la Tierra, ya que volará a través de una masa de aire que se mueve en relación con la superficie de la Tierra, pero la triangulación requerida para su plan de vuelo terrestre promedio no tendría nada en el matemáticas para calcular su curso alrededor de Júpiter.

  Y, las condiciones climáticas pueden cambiar. "Estimación", un cálculo de rumbo puramente matemático basado en instrumentos, se llama así por una muy buena razón; tienes razón, o estás muerto. Incluso IFR en la Tierra requiere que el piloto use señales visuales para corregir cualquier imprecisión, y la mayoría de la navegación civil privada se realiza utilizando puntos de referencia basados ​​en las características del terreno o balizas de navegación en ubicaciones conocidas con precisión (que transmiten señales que le permiten conocer su ubicación exacta). rumbo de esa baliza, y conocer el ángulo de azimut de cada baliza le da una posición triangular de su ubicación). Una vez más, nada en la superficie de Júpiter está en una ubicación fija, por lo que no existe una "característica del terreno" o una "baliza de navegación" desde la cual triangular.

  La solución requerida sería similar al sistema que hemos tenido desde aproximadamente 1997; el Sistema de Posicionamiento Global. Una constelación de satélites en un sistema de órbitas calculado con mucha precisión, con cronómetros sincronizados muy finamente a bordo, de modo que cada posición en la tierra está dentro de la línea de visión de al menos 4 de estos satélites. La posición de cualquier satélite en cualquier momento dado después de la época inicial del sistema se puede calcular en función de sus órbitas conocidas y estables, y cada satélite envía un flujo de bits con código de tiempo que permite al receptor calcular el "tiempo de vuelo" de esa señal, que cuando se multiplica por la velocidad de la luz, te da la distancia a ese satélite. Conociendo la distancia a un satélite, junto con su posición actual sobre la tierra, significa que estás en algún lugar a lo largo de un círculo cercano en la superficie idealizada de la Tierra (un esferoide achatado perfectamente liso) que obtendrías al dibujar en un globo usando un lápiz de esa longitud anclado en la posición del satélite. La medición de dos satélites le brinda un segundo círculo de intersección que idealmente brinda un máximo de dos ubicaciones posibles en la superficie de la Tierra en las que podría estar, y tres satélites diferentes en la mayoría de los casos le brindarán una posición fija única dentro del margen de error de la medidas de distancia Normalmente se utilizan cuatro en GPS para garantizar una posición precisa, porque la dinámica orbital de la constelación significa que dos satélites pueden estar relativamente cerca en posición, lo que reduce la precisión. d obtener dibujando en un globo con un lápiz de esa longitud anclado en la posición del satélite. La medición de dos satélites le brinda un segundo círculo de intersección que idealmente brinda un máximo de dos ubicaciones posibles en la superficie de la Tierra en las que podría estar, y tres satélites diferentes en la mayoría de los casos le brindarán una posición fija única dentro del margen de error de la medidas de distancia Normalmente se utilizan cuatro en GPS para garantizar una posición precisa, porque la dinámica orbital de la constelación significa que dos satélites pueden estar relativamente cerca en posición, lo que reduce la precisión. d obtener dibujando en un globo con un lápiz de esa longitud anclado en la posición del satélite. La medición de dos satélites le brinda un segundo círculo de intersección que idealmente proporciona un máximo de dos ubicaciones posibles en la superficie de la Tierra en las que podría estar, y tres satélites diferentes en la mayoría de los casos le darán una posición fija única dentro del margen de error de la medidas de distancia Normalmente se utilizan cuatro en el GPS para garantizar una posición precisa, porque la dinámica orbital de la constelación significa que dos satélites pueden estar relativamente cerca en posición, lo que reduce la precisión. y tres satélites diferentes en la mayoría de los casos le darán una posición fija única dentro del margen de error de las mediciones de distancia. Normalmente se utilizan cuatro en GPS para garantizar una posición precisa, porque la dinámica orbital de la constelación significa que dos satélites pueden estar relativamente cerca en posición, lo que reduce la precisión. y tres satélites diferentes en la mayoría de los casos le darán una posición fija única dentro del margen de error de las mediciones de distancia. Normalmente se utilizan cuatro en el GPS para garantizar una posición precisa, porque la dinámica orbital de la constelación significa que dos satélites pueden estar relativamente cerca en posición, lo que reduce la precisión.

  La navegación en la atmósfera de Júpiter, dentro de la cual nada está en una posición totalmente fija, requeriría un sistema "JPS" que proporcionaría posiciones similares basadas en la distancia dentro de la atmósfera de Júpiter. Idealmente, las señales podrían recibirse desde debajo de lo que sería el horizonte de la Tierra, lo que permitiría cálculos de altitud basados ​​en el cálculo de su posición en el espacio 3D, reduciendo la dependencia de un altímetro de presión (vital pero problemático incluso en la Tierra, ya que la presión barométrica de la superficie puede cambiar por lo suficiente como para importar en menos de una hora). Si va a ir de una ciudad a otra y no está absolutamente seguro de la velocidad del viento en los chorros zonales entre las dos ciudades, esta es la única manera de acercarse lo suficiente.

• Un suministro constante de oxígeno y un gas inerte. Cuando hablamos de respirar oxígeno dentro de una atmósfera de hidrógeno, las cosas se vuelven mucho más difíciles. El diferencial de presión ni siquiera es una gran ventaja, porque aún no puede tener fugas; cualquier ligera diferencia de presión entre el interior y el exterior filtrará un gas en el otro, y como dije antes, el gas de hidrógeno en un entorno de oxígeno tiene una ventana ridículamente amplia de concentración inflamable, que solo se amplía cuando se enriquece la atmósfera con una concentración parcial más alta. presión de oxígeno.

  Ese es el primer problema; Apolo, el transbordador espacial e incluso las primeras estaciones espaciales como Skylabs y Mir se las arreglaron en una atmósfera rica en oxígeno y de baja presión. Esto reduce el manejo de presión requerido de la nave espacial y también reduce la cantidad de tanques de gas que deben manejarse para mantener la atmósfera adecuada. La ISS, diseñada para estadías más prolongadas (y con lanzamientos de reabastecimiento no tripulados más frecuentes) incorpora nitrógeno en la mezcla, lo que reduce la inflamabilidad en el medio ambiente, aumenta la seguridad y también reduce los efectos de envejecimiento de los entornos con alto contenido de oxígeno en los tejidos humanos (" Los antioxidantes" son vitaminas esenciales por una muy buena razón; mientras funcionamos con oxígeno, también causa daño celular y envejecimiento, y estos efectos aumentan con la concentración). Tanto el nitrógeno como el argón (un gas totalmente inerte) serían mucho más necesarios cuando el ambiente exterior no es un vacío, sino un suministro listo para funcionar. Las esclusas de aire no pueden simplemente presurizar con una mezcla atmosférica, primero tienen que purgar el hidrógeno por completo antes de agregar oxígeno; de lo contrario, está creando una bomba de combustible y aire en su esclusa de aire a medida que la oxigena. Eso significa que el nitrógeno es un "consumible"; lo hace estallar en sus esclusas de aire como un paso intermedio entre la introducción de oxígeno o hidrógeno en esa cámara, por lo que esos dos gases nunca tienen presiones parciales suficientes para convertirse en un peligro de incendio. Es casi seguro que esto requerirá expulsar bastante nitrógeno a la atmósfera exterior, solo para asegurarse de que tiene Las esclusas de aire no pueden simplemente presurizar con una mezcla atmosférica, primero tienen que purgar el hidrógeno por completo antes de agregar oxígeno; de lo contrario, está creando una bomba de combustible y aire en su esclusa de aire a medida que la oxigena. Eso significa que el nitrógeno es un "consumible"; lo hace estallar en sus esclusas de aire como un paso intermedio entre la introducción de oxígeno o hidrógeno en esa cámara, por lo que esos dos gases nunca tienen presiones parciales suficientes para convertirse en un peligro de incendio. Es casi seguro que esto requerirá expulsar bastante nitrógeno a la atmósfera exterior, solo para asegurarse de que tiene Las esclusas de aire no pueden simplemente presurizar con una mezcla atmosférica, primero tienen que purgar el hidrógeno por completo antes de agregar oxígeno; de lo contrario, está creando una bomba de combustible y aire en su esclusa de aire a medida que la oxigena. Eso significa que el nitrógeno es un "consumible"; lo hace estallar en sus esclusas de aire como un paso intermedio entre la introducción de oxígeno o hidrógeno en esa cámara, por lo que esos dos gases nunca tienen presiones parciales suficientes para convertirse en un peligro de incendio. Es casi seguro que esto requerirá expulsar bastante nitrógeno a la atmósfera exterior, solo para asegurarse de que tiene lo hace estallar en sus esclusas de aire como un paso intermedio entre la introducción de oxígeno o hidrógeno en esa cámara, por lo que esos dos gases nunca tienen presiones parciales suficientes para convertirse en un peligro de incendio. Es casi seguro que esto requerirá expulsar bastante nitrógeno a la atmósfera exterior, solo para asegurarse de que tiene lo hace estallar en sus esclusas de aire como un paso intermedio entre la introducción de oxígeno o hidrógeno en esa cámara, por lo que esos dos gases nunca tienen presiones parciales suficientes para convertirse en un peligro de incendio. Es casi seguro que esto requerirá expulsar bastante nitrógeno a la atmósfera exterior, solo para asegurarse de que tienetodo el hidrógeno fuera.

  En general, es preferible una presión de aire ligeramente positiva dentro de los hábitats oxigenados, porque cualquier fuga al menos filtra el oxígeno al aire circundante donde las corrientes de viento lo disipan en concentraciones inofensivas con relativa rapidez. Pero esto crea un problema; esa fuga de oxígeno se ha ido para siempre. No puedes recuperarlo de la atmósfera joviana. Tampoco, para el caso, puede recuperar el nitrógeno. Una vez que ha sido liberado a la atmósfera de Júpiter, debe ser reemplazado por alguna otra fuente.

  ¿Porque preguntas? Bueno, porque estos gases son más densos. A la misma presión, tanto el oxígeno como el nitrógeno pesan mucho más que el hidrógeno, razón por la cual un globo lleno de él flota en el aire de la Tierra. En la atmósfera de hidrógeno de Júpiter sucede lo contrario; cualquier oxígeno que ingrese a la atmósfera joviana se hundirá en las profundidades del planeta, hasta que se caliente lo suficiente como para que la combustión para producir vapor de agua (o, para el nitrógeno, la hidrogenación para producir amoníaco) se vuelva favorable. Esa agua es aún más densa, y continuará hundiéndose en los océanos de hidrógeno líquido supercrítico de alta presión cada vez más densos de la "superficie" joviana, mucho más profundo de lo que cualquier hombre o máquina humana podría esperar aventurarse. Incluso si pudiéramos bajar a capas más profundas, lo mejor que podemos aspirar a retirar es el amoníaco (NH3) que, según la teoría, existe en cierta abundancia en las capas intermedias de la atmósfera de Júpiter. Podemos deshidrogenar el amoníaco con bastante facilidad quemándolo en oxígeno (ese proceso esmucho más fácil que hacer amoníaco en la Tierra; el proceso de Haber requiere temperaturas y presiones no muy diferentes a las que encontrará unas pocas millas por debajo de las presiones de la Tierra en Júpiter), devolviéndonos algo de gas nitrógeno (podemos recuperar el oxígeno del agua con electrólisis o craqueo a alta temperatura, pero tampoco lo son un proceso eficiente).

  Cualquier liberación de oxígeno a la atmósfera joviana es probablemente un desperdicio total; el agua resultante será más densa a cualquier presión ambiental que cualquier otra cosa a su alrededor hasta que el vapor supercrítico llegue al núcleo sólido del planeta, compuesto por todo lo que Júpiter ha aspirado durante eones. Y estás a 630 millones de millas de la atmósfera natural respirable más cercana del Sistema Solar, como mínimo; cuando la Tierra y Júpiter están en lados opuestos del sol, estás a un par de miles de millones de millas de cualquier cosa fácilmente respirable.

  Hay algunas buenas noticias; Europa, la luna de Júpiter, es una bola de hielo, completamente cubierta de hielo de agua (muy probablemente con un océano de agua líquida debajo), y es la segunda luna principal más cercana en órbita a Júpiter, por lo que es un salto relativo fuera del atmósfera joviana superior en comparación con cualquier otro lugar. Sería, si estamos hablando de colonización, un "viaje de recados" mucho más fácil enviar barcos para recolectar y traer algo del agua de Europa, que luego se puede beber, usar en hidroponía, electrolizar a oxígeno, cualquiera que sea el uso de las colonias jovianas. tener para ello. Europa también tiene una atmósfera delgada de oxígeno, causada por la radiólisis de las moléculas de agua de la superficie del hielo por una combinación de radiación solar y partículas cargadas de la magnetosfera de Júpiter.

Voy a considerar gigantes de gas cálido ricos en hidrógeno/helio como Júpiter y Saturno, aquí. Las cosas son diferentes para los mundos gigantes de hielo más fríos, así que los dejaré para otro día. Usaré "gas" en lugar de "aire" para referirme a las atmósferas planetarias y, por lo tanto, "nave de gas" en lugar de "avión", etc.

El mayor problema que tendrá con los gigantes gaseosos ricos en hidrógeno es la densidad atmosférica. Incluso cuando la presión atmosférica es similar a la del nivel del mar de la Tierra, las densidades serán una fracción de la densidad de nuestra atmósfera (razón por la cual los globos de hidrógeno flotan en la Tierra, obviamente). La sustentación es proporcional a la densidad , lo que significa que las alas para usar en la atmósfera de un gigante gaseoso tendrán que ser bastante grandes... como una cifra aproximada, quizás 10 veces más grande, para generar la misma fuerza de sustentación que un ala en la Tierra. .

Esto solo se agravará si quieres vivir en un mundo enorme como Júpiter, donde la gravedad ya es más del doble de fuerte a la altitud donde encontrarías una presión similar a la de la Tierra, por lo que querrás alas que sean más que ¡veinte veces más grande!

Sin embargo, en el lado positivo, la resistencia es proporcional a la densidad . El arrastre también es proporcional a la velocidad al cuadrado, por lo que podría viajar a 3.5-4 veces la velocidad que podría en la atmósfera de la Tierra con la misma cantidad de esfuerzo. La sustentación también es proporcional a la velocidad al cuadrado, lo que significa que para aviones de alta velocidad puede compensar la menor sustentación proporcionada por la delgada atmósfera. La velocidad del sonido en el hidrógeno también es unas 4 veces mayor, por lo que puede viajar mucho más rápido y seguir siendo subsónico.

Entonces, un mensaje para llevar a casa: no hay naves a gas de baja velocidad que usen alas para levantarse . Los aviones a gas de alta velocidad podrían parecerse más a aviones de baja velocidad en la Tierra. Debido a que las naves de gas aladas probablemente viajarán muy rápido , no querrás que se acerquen demasiado a los hábitats y otras instalaciones por razones de seguridad. Sus bases (¿gassports? ¿gasbases?) estarán por lo tanto bien separadas.

Si no va a ningún lado con demasiada prisa, use una embarcación más liviana que la atmósfera, usando los mismos dispositivos de flotación que usan sus hábitats. Recuerde nuevamente que la atmósfera de hidrógeno de baja densidad significa baja resistencia, por lo que sus zepelines pueden viajar mucho más rápido que en la Tierra. Las naves de escape, las cápsulas de escape y los equivalentes de paracaídas también deberán ser globos de algún tipo para detener el descenso o retrasarlo lo suficiente como para afectar un rescate.

No intentaré resolver los problemas que podrían enfrentar los helicópteros. Tal vez en otro momento. Si sus reactores de fusión tienen una relación potencia-peso lo suficientemente buena, es posible fabricar vehículos o plataformas que puedan flotar y mantenerse en posición durante largos períodos de tiempo utilizando chorros o ventiladores orientables o orientados hacia abajo. Esta podría ser una forma de permitir que su avión alado de súper alta velocidad se acerque a la vivienda de manera segura a bajas velocidades sin necesidad de flotar.

Ha sugerido hidrógeno metálico como un monopropulsor útil, lo que implica que en su universo es definitivamente metaestable a temperaturas y presiones sensibles. Sin embargo Hay algunos problemas con la sustancia incluida en el Proyecto Rho . Uno de ellos es que la temperatura de un motor de cohete que usa el material es muy alta (como, motor-vaporización alta), e incluso si usa hidrógeno como refrigerante, seguirá bajando su Isp a unos mil segundos más o menos. No está mal, en comparación con meros cohetes químicos, pero no lo suficiente como para llevarte fácilmente al espacio en un pozo de gravedad tan profundo.

En segundo lugar, todo eso de la metaestabilidad. Contiene aproximadamente 50 veces más energía que el TNT, por unidad de masa, y probablemente no necesites aplicarle mucho empuje para que se cocine. Todo lo que se alimenta con hidrógeno metálico debe considerarse una bomba (o misil) hasta que se demuestre lo contrario, y debe usarse y estacionarse en un lugar muy seguro lejos de la mayoría de las viviendas e instalaciones industriales. Puede que ni siquiera sea seguro usarlo demasiado cerca de los reactores nucleares, si existe la posibilidad de que un neutrón extraviado rápido o un rayo gamma adecuadamente energético pueda empujar una pequeña gota de cosas sobre la barrera de energía y provocar una descomposición explosiva.

Otra nota para llevar a casa: el hidrógeno metálico es enormemente peligroso, y nadie querrá que se use en ningún lugar cerca de nada .

Con respecto a la capacidad espacial, eso es complicado, algo que depende en gran medida de la masa de su gigante gaseoso. Pero, TL; DR: el hidrógeno metálico no lo pondrá en órbita, incluso antes de diluirlo para evitar que sus cohetes se derritan.

Lo primero que debe recordar es que los gigantes gaseosos son grandes , y para llegar al equivalente de la órbita terrestre baja donde estará al menos temporalmente estable, tendrá que volar bastante alto y eso significa que necesita mucha energía. Para elevar un objeto desde la superficie de la Tierra a una altitud de 250 km, debe proporcionar al menos 2,4 MJ/kg (nota: ¡esto excluye la energía necesaria para alcanzar la velocidad orbital!). Necesita 10 veces más para alcanzar 1000 km por encima del nivel de 1 barra en Júpiter, y es posible que ni siquiera esté lo suficientemente lejos de la atmósfera para poder mantener su altitud tanto como lo haría a 250 km en la Tierra.

La velocidad orbital a 1000 km sobre Júpiter es de ~41 km/s. A 1000 km sobre Saturno es de ~25 km/s. Eso es un gran alrededor de delta-V que necesitará, además del empinado pozo de gravedad del que está tratando de salir, y en el caso de Júpiter, necesitará cohetes que puedan entregar más del doble del empuje. de sus equivalentes terrestres al mismo tiempo que levantan todas esas cosas. Esa es una tarea bastante difícil, y podría requerir algunos cohetes nucleares muy poderosos para sacarte. Podría valer la pena considerar una unidad Orion aquí.

Por supuesto, no necesitas orbitar; como usted señaló, salir por encima de la atmósfera parece una buena manera de cubrir largas distancias en un tiempo sensato, si eso parecía importante. Los vehículos de impulso y planeo son probablemente lo que desea allí... trayectorias suboribtales largas y bajas que saltan de la atmósfera superior. La aerodinámica y el diseño de tales vehículos serán bastante diferentes de los aviones de gas rápidos de alas grandes o de los aviones de gas lentos flotantes mencionados anteriormente, y tratar de combinar múltiples modos de operación probablemente solo busque ineficiencias. No se comprometa; especializarse. ¡El entorno ya está castigando lo suficiente sin diseños tontos y motores y sistemas de control adicionales innecesarios para hacer que el vuelo sea más inconveniente!

Para los combustibles químicos (y, de hecho, para algunos o más de los elementos que necesitará para mantener sus hábitats en funcionamiento), tendrá que a) enviarlos desde otro lugar (como las lunas jovianas) o b) recolectarlos de más profundo en la atmósfera del gigante gaseoso. Júpiter, al menos, tiene cubiertas de nubes de amoníaco y agua, que deberían ofrecer excelentes fuentes de nitrógeno y oxígeno. Debe descender quizás 100 km por debajo de la altitud de 1 bar, y la presión aumentará en un factor de diez y la temperatura al menos se duplicará (lo cual es un inconveniente para los vehículos flotantes), pero es factible. Otros gigantes gaseosos también pueden tener cosas útiles como nubes de metano para fuentes de carbono.

( Atmósfera de Júpiter )

Sin embargo, me inclinaría a usar la fusión tanto como sea posible, ya que la recolección química puede ser menos conveniente que el refinado de deuterio y helio-3 en altitudes más altas. Las densidades de energía del combustible químico son mucho más bajas, y probablemente haya cosas más útiles que puedas hacer con los materiales que prenderles fuego.

Los estatorreactores nucleares podrán ir bastante rápido en una atmósfera de hidrógeno, por lo que podrían ser útiles para viajes de media distancia, si realmente necesita algo así. Los motores a reacción nucleares podrían ser simplemente una mejor alternativa, porque los gigantes gaseosos son grandes y las cosas interesantes estarán cerca (porque ahí es donde se construye) o lejos (por la razón que sea), por lo que puede haber poca necesidad de un punto medio entre boost-glide y scramjets y turbinas. Sin embargo, depende de ti.

Y como algunas respuestas a la excelente respuesta de KeithS :

• Por supuesto, el gas inerte está fácilmente disponible en forma de helio. Puede haber cierto kilometraje en sus hábitats y vehículos que tienen un casco de presión exterior de helio ligeramente por encima de la presión interna y externa. Esto hace que sea más fácil mantener dentro los gases atmosféricos difíciles de reemplazar, como el oxígeno y el nitrógeno (¡e incluso el dióxido de carbono!), porque no pueden simplemente filtrarse en un amortiguador de mayor presión. En una emergencia, el helio se puede verter si comienza a filtrarse en áreas habitables, igualando las presiones mientras se reparan las fugas y los depuradores. Es bastante fácil de reemplazar.
• Construir y mantener una red de satélites JPS es una excelente idea, pero por razones de seguridad, también podría considerar tener sistemas de posicionamiento atmosférico, porque si TSHTF podría ser muy, muy difícil volar a la órbita para reemplazar o reparar la infraestructura. Incluso podría ser más fácil hacer algunas de estas cosas en Júpiter porque las líneas de visión son muy largas... hay una necesidad reducida de cosas inteligentes de baja frecuencia sobre el horizonte como LORANcuando bien puede ser posible utilizar balizas marcadoras basadas en VHF, impulsadas por reactores de fusión de alta potencia, con amplios alcances. Después de todo, es probable que los gigantes gaseosos estén escasamente poblados, y aunque las balizas móviles no ayudan con la navegación global, es probable que la mayoría de la navegación sea local de todos modos y un salto suborbital puede apuntar en la dirección aproximada de la nube de baliza marcadora de otro hábitat y apuntar. se puede refinar a medida que se adquiere una corrección.