¿Cómo es posible que la gente escape de un planeta demasiado grande para los cohetes químicos?

Estaba leyendo este artículo de la NASA sobre cohetes químicos y argumentan que, con un planeta un 50 % más grande que la Tierra (suponiendo una densidad similar, aproximadamente 1,5 G de gravedad superficial), sería imposible que los cohetes químicos escapen. Tenga en cuenta que no me importan específicamente esos valores exactos, solo suponga que un planeta es un poco demasiado grande para que la propulsión química pueda impulsar un cohete para escapar. Si la gente estuviera varada en un planeta como este, ¿cómo construirían un medio para abandonar este planeta?

Suponga que no tienen ayuda de nadie que ya esté en órbita, por lo que tienen que llegar al espacio por su cuenta y a un planeta similar a la Tierra. Pueden saber tanto o tan poco sobre nuestra tecnología de vuelos espaciales como sea conveniente para la respuesta.

Además, todas las respuestas deben ser factibles de acuerdo con nuestra comprensión actual de la física. Los dispositivos antigravedad, los portales y similares no están permitidos, aunque se puede usar tecnología de futuro lejano si es necesario.

Los comentarios no son para una discusión extensa; esta conversación se ha movido a chat .
Pregunta importante: ¿los individuos necesitan escapar o las "especies"?

Respuestas (11)

Un motor de fisión pulsada como el proyecto Orión habría sido capaz de mover una nave de 10 millones de toneladas a la órbita terrestre. Lo malo es que estaban logrando la propulsión con detonaciones nucleares. Lanzarían las bombas atómicas por la parte de atrás y las detonarían a una buena distancia con una "placa de empuje" hemisférica gigante que era básicamente un pistón amortiguador gigante con una copa en el extremo para "atrapar" la energía de la explosión. .

ingrese la descripción de la imagen aquí

El concepto se refinó aún más en una fecha posterior para utilizar "cargas con forma" nucleares especialmente construidas conocidas como obuses casaba. Estos dispositivos nucleares se habrían creado de tal manera que enfocarían la explosión en una gran bala de tungsteno que se vaporizaría en un cono, o incluso en una explosión en forma de haz dirigida a la placa de empuje. Hubiera hecho que la nave fuera aún más eficiente con su empuje y borrado/irradiado menos del campo circundante.ingrese la descripción de la imagen aquí

La iteración final en papel del plan podría acelerar una nave espacial a 1G durante 10 días. Para darte una idea de lo rápido que es, si aceleras a 1G durante 5 días y luego desaceleras a 1G durante 5 días, podrías llegar a Saturno en 10 días. También es un buque ENORME. Dado que está montando una serie de miles de ondas de choque nucleares, el tamaño mínimo de la embarcación debe estar cerca de la clase de peso de 1000 toneladas métricas solo para sobrevivir al lanzamiento. La nave tendría un orden de magnitud mayor de Delta-V requerido para alcanzar la órbita, y tan pronto como dejara la órbita, podría ir prácticamente a cualquier parte del sistema solar que quisiera. Dispara, si agotó todas sus cargas nucleares sin tener en cuenta la desaceleración, teóricamente podría alcanzar alrededor del 4% de la velocidad de la luz.

¡ Tenga en cuenta que la placa de empuje que se muestra aquí tiene aproximadamente 500 metros de diámetro! . ¿Parece un poco extremo? ¡Digo que irradiar un área del tamaño de Texas es un pequeño precio a pagar por el progreso!ingrese la descripción de la imagen aquí

Bonificación tangencial adicional: ¡El planeta más grande tiene más área de superficie, por lo que está irradiando menos del planeta total para los lanzamientos!
Además, asumimos que los residentes del planeta son humanos. Si son extraterrestres, tal vez la radiación no sea dañina para ellos.
@ TCAT117 Por mucho que esté de acuerdo en que la vida extraterrestre puede tomar todo tipo de formas, creo que la idea de una forma de vida a la que no le molesta la proximidad de múltiples detonaciones nucleares podría estirarla un poco, incluso si los diseños más pequeños de Orion estaban "solamente" utilizando rendimientos bajos en kilotones o subkilotones.
Dices que la nave espacial podría sostener 1G durante 10 días (en el espacio). Si esa es la aceleración máxima, ni siquiera podrá alejarse mucho del suelo en un planeta con 1.5G en la superficie. ¿Podría superar la gravedad y el arrastre y mantenerse estable durante el tiempo suficiente para entrar en órbita?
Estoy diciendo que el que dibujó la NASA se fijó en 1 g de aceleración. La idea no es que copie el diseño de la NASA directamente, simplemente que el tipo de motor es excelente para un empuje de alto rendimiento a gran escala. La NASA estaba usando dispositivos de bajo kilotón en sus matemáticas. Con dispositivos de rango de megatones, aumentaría enormemente el empuje. Especialmente si está integrado en un obús casaba donde la configuración era menos explosión y más partículas de alta energía dirigidas.
No veo nada que muestre directamente que esto funcionaría en un planeta de 1,5 g. La respuesta "bueno, es realmente poderosa" no satisface el requisito de la ciencia dura. ¿Tiene una versión de la ecuación del cohete Tsiolkovsky para empuje basado en impulso nuclear?
"¡Digo que irradiar un área del tamaño de Texas es un pequeño precio a pagar por el progreso!" => "¡Digo que irradiar Texas es un pequeño precio a pagar por el progreso!" Corregido eso para usted, gracias me más tarde.
I think the idea of a life form that isn't bothered by close proximity to multiple nuclear detonations might be stretching it a bit@TCAT117 La mayor parte de nuestro miedo a la radiación proviene de un movimiento "verde" motivado principalmente por obstruir el progreso industrial. En un clima intelectual más racional, con las bombas más limpias que se puedan fabricar, potencialmente lanzadas sobre el mar (si es que hay mar), esta idea bien podría ser adoptada.
Además, nunca dije que los extraterrestres estarían sentados en tumbonas justo al lado de la cosa. Eso es más radiación gamma de la que cualquier cosa podría sobrevivir. Me refería más a la lluvia radiactiva, la más pesada de las cuales caerá a solo unas pocas millas de una detonación. Las consecuencias a larga distancia son malas para los humanos, pero solo durante 3 a 5 semanas. Su potencia es tremendamente exagerada, podría pasar el rato en una lluvia radiactiva de largo alcance durante uno o dos días sin enfermarse. Tal vez no molestaría a los extraterrestres en absoluto.
Esta es la mejor respuesta dadas las restricciones de OP. Las personas varadas tienen un objetivo, dejar el planeta que no incluye mantenerlo prístino o preservar la vida después de que "escapen". En el peor de los casos, usan un salto de granada para llegar lo suficientemente alto como para que los cohetes químicos puedan alcanzar la velocidad de escape.
La placa de empuje representada allí no tiene 500 metros de diámetro, tiene 10 o 20 metros. Aquí hay un poco de confusión (pero no cambia el punto principal de la respuesta: que Orión funcionaría) en el sentido de que los Oriones realmente considerados seriamente tenían decenas de metros de diámetro, y su rendimiento no se acerca a lo que dice la respuesta. Quemaduras que duran decenas de minutos, no días. La enorme escala y el rendimiento fueron una especie de matemática de servilleta para lo que en última instancia podría ser posible.
Fiscalmente posible y teóricamente posible son dos distinciones, sí. Simplemente estoy señalando la posibilidad teórica del monstruo de 10,000 toneladas para el que hicieron algunos cálculos. En realidad, un dispositivo de este tipo, aunque físicamente posible, tardaría décadas en construirse y costaría varios billones de dólares y usaría más cargas nucleares en el lanzamiento que las que existían en los arsenales del mundo en ese momento.
@GrimmTheOpiner, se debe sugerir que gran parte de nuestro miedo a la radiación proviene de la explosión de Chernobyl y de ver los efectos directamente en lugar de una mera hipérbole. Es un miedo perfectamente razonable en muchos sentidos, la gente debería tener miedo de las cosas que son peligrosas, significa que deben tener cuidado con ellas.
@Separatrix Los efectos de Chernobyl son que murieron un par de cientos de personas, todas las cuales estaban involucradas en el trabajo o la limpieza del sitio, y una pequeña ciudad ha sido, probablemente, innecesariamente abandonada. En términos de muertes por unidad de energía, la energía nuclear es el método más seguro de generación de energía que tenemos, eso es un hecho objetivo. Pero lo tememos.
@GrimmTheOpiner, me temo que estás yendo demasiado lejos en el otro sentido. No es que me oponga a la energía nuclear, pero Pripyat no fue abandonada innecesariamente y muchas más personas murieron a largo plazo. Los animales en el área tienen incidencias significativamente más altas de mutación, aunque son más numerosos debido a la ausencia de humanos junto con otros efectos.
Un concepto alternativo de cohete de fisión externa es el cohete nuclear de agua salada del Dr. Zubrin, en el que el combustible es una solución de agua salada fisionable con un 2% de alto enriquecimiento o grado armamentístico. Las principales diferencias son el empuje continuo en lugar del pulsado y el uso de agua en lugar de la ablación de metal para la remasificación.
Bueno, hay una gran falla en este diseño: la propulsión por ondas de explosión nuclear... que necesitan atmósfera para propagarse... entonces, ¿cómo exactamente vas a llegar al espacio con ese diseño? Nunca. Siempre permanecerás en la atmósfera.
equivocado. Las armas nucleares producen fuerza cinética en el espacio, pero no tanto. Los dispositivos nucleares regulares se volverían menos eficientes, pero esto ya está resuelto por los obuses Casaba que teóricamente pueden enfocar la detonación en un haz de plasma de alta energía. Son capaces de enfocar hasta el 80% de la explosión en un cono enfocado de aproximadamente 2 grados. El plasma de alta energía se convierte en energía cinética de manera bastante eficiente.

Con un bucle de lanzamiento Lofstrom .

Básicamente, desea construir un conjunto de torres lo suficientemente altas como para que puedan levantar una vía de tren por encima de la atmósfera. Luego, en ausencia de resistencia del aire, puede acelerar su tren hasta la velocidad orbital y más allá.

Ahora, construir una torre en alta gravedad puede no parecer realmente mejor que tratar de usar cohetes en alta gravedad, y si las torres tuvieran que ser sostenidas por fuerzas estáticas, eso sí sería un problema. No podemos construir un rascacielos lo suficientemente alto en la Tierra , y mucho menos en un planeta más pesado. Pero las torres no tienen que estar soportadas estáticamente. Pueden usar soporte dinámico. Y las estructuras soportadas dinámicamente, a diferencia de los cohetes, pueden escalar a tamaños arbitrariamente grandes, siempre que tenga un motor lo suficientemente potente (¡y confiable!) para ejecutarlos. Vea este video de Cody's Lab para ver demostraciones del concepto a pequeña escala en el mundo real, una con agua y otra con una cuerda.

Un bucle de lanzamiento típico de Lofstrom funcionaría más como un lanzador de cuerdas que como una torre de chorro de agua, aunque las pistas de lanzamiento apoyadas en una fuente también son potencialmente factibles, siempre que tenga suficientes ubicaciones de anclaje adecuadas a lo largo de la pista. (Un lazo solo necesita anclas que puedan manejar cargas de compresión en cada extremo, no en todo el camino). Imagine un lanzador de cuerdas que encierra la cuerda en un tubo estacionario sin fricción, excepto que la "cuerda" es en realidad una cadena de acero telescópica, el El "tubo sin fricción" es una pista de levitación magnética activa, y las "ruedas de goma" son una serie de motores eléctricos lineales.

¿Puedes mostrar que esto se traduce en un mundo con una gravedad de 1,5 g? ¿Cómo pueden las estructuras con soporte dinámico escalar a tamaños más grandes que las estructuras con soporte estático? ¿Tiene alguna cita para algo de esto?
@Samuel Tres citas en la primera oración. Si no desea tener que hacer clic en varios enlaces, pruebe slides.launchloop.com//launchloop.pdf , por ejemplo, para obtener detalles técnicos excesivos sobre el diseño de Lofstrom en particular. Las ventajas de la escala provienen del hecho de que la fuerza de las estructuras estáticas está limitada por los niveles de energía de los enlaces químicos. La resistencia a la compresión de las estructuras con soporte dinámico, por otro lado, está limitada solo por la cantidad de impulso que puede inyectar en un miembro de soporte dinámico, que no tiene límites.
Enlaces != citas, los vi. Su "artículo científico" comienza con una historia de ciencia ficción de cuatro páginas. Todas las resistencias de los materiales están limitadas por sus enlaces químicos. En el escenario de su lanzador de ciencia ficción, el tamaño de su tubo de vacío está limitado por la capacidad de la vaina de vacío para resistir la presión atmosférica, por ejemplo. La altura máxima que puede alcanzar su estructura está limitada por la aceleración máxima de las balas de hierro (que están limitadas en tamaño por su vaina), que también es un problema de resistencia del material. Lo siento, todos esos problemas no desaparecen porque estás usando imanes.
@Samuel No lo llamé "artículo científico". Es un documento técnico y comenzar con cuatro páginas de motivación no degrada el contenido de ingeniería real. De hecho, diría que lo hace aún más relevante, ya que se trata explícitamente de un escenario de ciencia ficción. La etiqueta de ciencia dura tampoco requiere artículos científicos. Se aceptan explícitamente "evidencia empírica" ​​(por ejemplo, videos de YouTube de personas que han construido modelos a pequeña escala) y "otras citas"....
....La altura de una sola etapa de una fuente espacial o estructura de estilo bucle está limitada por la aceleración que los miembros dinámicos pueden soportar, pero no por la capacidad de carga; siempre puede agregar más masa a la corriente , o construir múltiples flujos paralelos. Y eso significa que puede apilar etapas para obtener más altura si una etapa no es suficiente. Las limitaciones materiales en el tamaño de la funda de vacío no son relevantes, precisamente porque puedes construir más de uno en paralelo si lo necesitas, y el escenario no especifica un tamaño mínimo para los vehículos que se lanzarán.
Vale la pena señalar que tales diseños se vuelven más factibles cuando la atmósfera es más delgada, no tanto en el sentido de densidad como de altura de escala. E incluso para las mismas propiedades del gas en la superficie, la altura de la escala disminuye si la gravedad es más fuerte. Para un planeta grande con una fuerte gravedad pero una atmósfera significativamente más delgada que la de la Tierra, un bucle de lanzamiento podría ser bastante plausible. Más aún cuando también tienes vientos menos violentos de los que cuidarte.
No puedo imaginar que se construya con menos de tres flujos en total y, dado que deben estar emparejados, eso significa 4. De lo contrario, tiene problemas para mantener el nivel de una plataforma a medida que la masa cambia.

Y ahora para un enfoque ridículamente grande:

Construye un anillo alrededor del ecuador. Esto es apoyado por un gran número de torres. El anillo gira muy por encima de la velocidad orbital (use una configuración de levitación magnética, pero hay una segunda en la parte superior) y ejerce una fuerza hacia afuera. Esto se hace igual al peso de la torre debajo, por lo que las torres en realidad cuelgan del anillo. (Sí, hay montañas y océanos en el camino. Dije que esto era ridículamente grande, tendrás que perforar algunos túneles poderosos y construir algunas construcciones de aguas profundas bastante impresionantes).

Una vez que tenga este anillo funcionando, hágalo de nuevo, esta vez sobre el existente. Repita hasta que esté fuera de la atmósfera y pueda poner su pista de lanzamiento encima de todo. Como cada anillo soporta la carga de su capa, no necesitas una torre increíblemente fuerte.

No he realizado un análisis completo de esto, pero no es necesario para ver que funciona: considere el caso extremo con un número infinito de anillos y un número infinito de torres: el requisito de resistencia de los materiales se reduce a cero. Por lo tanto, simplemente se reduce al espacio requerido.

Si bien este es un proyecto de ingeniería mucho más complejo que los enfoques de bucle de lanzamiento o fuente espacial, no tiene los imanes de giro increíblemente poderosos que esos enfoques necesitan. Puede duplicar o triplicar todos los elementos de potencia para que, en caso de falla, todo siga funcionando.

En cuanto al comentario sobre la falta de ciencia dura:

1) ¿Cuál es la fuerza sobre el anillo? Tiene una fuerza hacia afuera entre los puntos de anclaje que coincide con la fuerza hacia adentro ejercida por los puntos de anclaje. Puntos de anclaje infinitos = distancia cero entre ellos = fuerza cero en el anillo.

2) ¿Cuál es la fuerza sobre las torres? La masa entre un anillo y el de abajo. Anillos infinitos = cero distancia entre ellos = cero fuerza sobre las torres.

Obviamente, ninguno de los dos puede ser infinito, pero pueden ser lo suficientemente grandes como para que no haya grandes problemas de materiales.

En cuanto al video de Orbital Ring en los comentarios:

Está hablando de construirlo en el espacio, algo que la pregunta no permite. Estoy hablando de construir desde el suelo, aunque el concepto básico es el mismo.

Tenga en cuenta que su anillo no funciona; tenga en cuenta mi punto n. ° 1 en respuesta a la queja de ciencia dura. No puedes anclar eso en un solo punto sin el uso de súper materiales.

Genial respuesta. Nunca pensé en eso antes. Pregunta: ¿La torre está respaldada por la misma tecnología, ya que la torre es esencialmente un tren de levitación magnética que va en la dirección opuesta a la vía misma?
@Aaron No: una vez que el anillo gira, las torres ahora cuelgan del anillo en lugar de sostenerse desde la parte inferior. Obviamente, deben diseñarse tanto para tensión como para compresión.
Tal vez no estaba claro: si los anillos giran, entonces las torres no pueden simplemente sentarse sobre ellos normalmente o las torres viajarían junto con los anillos. De ahí mi comentario: si la torre está sostenida por maglev pero va en la dirección opuesta al marco de referencia del anillo, entonces la torre parecerá estar quieta desde la nuestra. Si no es esto, ¿cómo se apoya la torre en él?
Un Single Ring sería suficiente: comenzar a construirlo en el suelo ("solo" llevar todo a la misma altura alrededor del ecuador) y acelerarlo (en alguna hoja) hasta que "flote". Si luego acelera más y tiene una forma de "ensanchar" el anillo (y la hoja), el anillo se elevará a la altura deseada. A medida que se eleva, uno puede construir torres (o más probablemente colgar ascensores) debajo de él.
Vea el video Anillos orbitales de Isaac Arthur para obtener una versión elaborada de esta respuesta.
una vez que gira lo suficientemente rápido, puede abrir todas las conexiones del anillo y las piezas salen volando.

Lanzamiento de aviones

Usa una nave alada que use la atmósfera como

  • una estructura dinámica para soportar su peso,
  • una fuente de oxidante para sus motores, y
  • materia de reacción para proporcionar empuje.

El objetivo de la aeronave sería llegar lo más alto posible, pero más importante aún, lo más rápido posible, porque en el lanzamiento aéreo, la velocidad vale más que la altitud. (Si la altitud fuera tan valiosa, lanzaríamos desde la estepa de Wyoming, no desde el nivel del mar). En este momento no tenemos motivos para lanzar la ingeniería de terabuck en aviones hipersónicos , pero seguro que lo harían.

Entonces, este avión estaría subiendo a los límites superiores de la atmósfera, donde es lo suficientemente delgado como para volverse hipersónico fácilmente, y creando todo el delta-V que pueda usar la atmósfera como oxidante, antes de separar la primera etapa del cohete propiamente dicho y enviar en su camino.

La ecuación del cohete sería más o menos inaplicable a este lanzador de naves nodrizas, ya que se toma prestada su materia oxidante y de reacción.

Hay quienes trabajan en esto . Sin embargo, proyectos como Stratolaunch , Virgin LauncherOne , GO , Aldebaran y MAKS son lanzamientos subsónicos, IAR-111 es un "simple" lanzamiento supersónico. Estoy proponiendo un lanzamiento hipersónico y la nave nodriza no necesita sobrevivir a la separación.

@Aaron Buena idea y listo.
También iba a proponer un avión espacial como solución, sin embargo, hay un problema con esto. A una G más alta (y suponiendo que la presión del aire en la superficie sea la misma), la atmósfera será más delgada, por lo que obtendrá menos ventajas con un lanzamiento aéreo, ya que no podrá volar tan alto.
@JeremyFrench Habiendo observado el lanzamiento aéreo, la altura tiene valor, por ejemplo, al permitir que los motores se optimicen para altitudes elevadas (conos más grandes). Pero la velocidad tiene mucho más valor, de ahí mi interés en el lanzamiento hipersónico. Así que no me preocupa demasiado si la atmósfera es delgada a una altitud más baja. Cuando es hipersónico, cuanto más delgado, mejor, siempre que haya suficiente para alimentar los motores.
Y... si estuviera en el fondo de un pozo de gravedad difícil, impulsar la plataforma de lanzamiento de su avión con algo como esto se vuelve bastante más atractivo que para nosotros.
+1 Aunque en el artículo de wiki citado ya se dice que esto no ayudaría demasiado. Incluso en los planos de la Supertierra tendría limitaciones.

Relacionado con el bucle de lanzamiento, está la fuente espacial.

Construyes una torre al espacio. Por supuesto, no hay nada lo suficientemente fuerte como para construirlo, así que tienes que quitarte un montón de peso. Para ello, construye una estación base que arroja imanes (en un tubo al vacío) muy, muy rápido. Cada plataforma de la torre tiene generadores que producen una gran cantidad de energía a partir de los imanes que pasan volando; al hacerlo, la energía se transfiere de los imanes a la plataforma. Esa energía va al lado de los motores que están agarrando las piezas que bajan (piensa en un tren de levitación magnética, ¡no puedes tener contacto físico!) y los acelera, produciendo también sustentación.

Tienes un imán muy grande en la parte superior que gira las piezas y las envía hacia abajo. Tienes un enorme imán en la parte inferior que hace lo mismo. Siempre que los caminos estén vacíos y todo sea superconductor, esto no cuesta energía una vez que lo haya configurado.

Con respecto a la queja de ciencia dura:

https://en.wikipedia.org/wiki/Space_fountain

Quería entrar gritando " no hay energía una vez establecida, pero ¿qué pasa con las ineficiencias?" Pero no estoy seguro de dónde estarían. Entonces sugieres que los conductores eléctricos son superconductores perfectos. Los imanes probablemente apuntan perfectamente rectos y su trayectoria mantiene un vacío perfecto. Pero, ¿esto realmente significa que no hay energía (o al menos es insignificante: le otorgaré pequeñas cantidades de energía de entrada para compensar las imperfecciones)? Aunque no puedo señalar el eslabón débil, el reclamo en su última oración me persigue e intuitivamente se siente sobreestimado.
@Aaron, no hay poder excepto para compensar las ineficiencias. Los imanes que vuelan a lo largo del bucle son similares a estar en órbita, eso tampoco necesita energía, ¿verdad?
¿Construyes una torre imposible de construir teniendo ya una torre en su lugar?
Tienes que gastar una gran cantidad de energía en la parte inferior. En la parte inferior, los imanes comienzan con una gran velocidad ascendente y la pierden gradualmente ante los generadores y la gravedad en la parte superior, básicamente se detienen. Luego caen y adquieren velocidad tanto por la gravedad como por los imanes y terminan cayendo a gran velocidad. Requeriría mucha energía detenerlos y luego volver a encenderlos. También estas transferencias de energía en plataformas tendrían pérdida de energía por resistencia en los generadores.
@Samuel Más o menos. Cree una versión inferior a la final, luego use lo que tiene como plataforma para ampliar. Luego extender de nuevo... y así sucesivamente. Entonces, no necesariamente por tener una torre en su lugar, sino por construir una versión corta de ella y usarla para levantarse por sus propios medios. Dado que las plataformas que aceleran pueden subir o bajar por sí mismas sumando o restando energía en las partes móviles que pasan zumbando, la elevas tanto como parece razonable y luego usas la plataforma para extender los tubos de vacío.
@sdrawkcabdear Esa última oración en su comentario fue lo mejor que se me ocurrió contra este plan también, pero si esos generadores son simplemente una bobina superconductora alrededor del tubo de vacío, ¿realmente habría pérdidas ya que no hay resistencia eléctrica? Los imanes que pasan por esas bobinas pueden tener una eficiencia de prácticamente el 100% cuando las plataformas se mantienen a una altura constante. Todo el dispositivo de transferencia sería solo el material superconductor; No creo que se requieran otras piezas, por lo que la eficiencia puede ser casi perfecta.
He leído sobre torres como esta como aplicaciones prácticas especulativas y también en ciencia ficción, y siempre pensé que consumían enormes cantidades de energía. Pero ahora que nos tienes pensando en ello, esa visión puede estar equivocada.
@Aaron con una etiqueta de ciencia dura, no debemos asumir una eficiencia del 100%. Todos los superconductores modernos no pierden el 100% menos y requieren cantidades masivas de energía para enfriarlos. En ciencia ficción podemos ondear a mano superconductores perfectos a temperatura ambiente, no en ciencia dura. Además, la resistencia del aire es un factor muy importante y tendría un gran impacto, ya que debe disparar imanes muy grandes o de muy alta velocidad.
@sdrawkcabdear Sí, hay costos de enfriamiento y similares; quise decir que los imanes no consumieron energía. Tenga en cuenta que especifiqué que los imanes deben viajar en el vacío; de lo contrario, el problema no es la resistencia del aire sino la vaporización.
"Por supuesto, no hay nada lo suficientemente fuerte como para construirlo": la piedra común funcionará bien. "Solo" necesita construir una pirámide y la carga se distribuirá en un área lo suficientemente grande como para no aplastar la piedra. Por supuesto, vas a necesitar mucha piedra.
@sdrawkcabdear Dije " prácticamente " al 100%, ese prefijo fue a propósito. Pero eso sí, buena pesca; enfriamiento de hecho, aunque con un vacío adecuado para resistir el intercambio de calor en el sistema, y ​​con los propios superconductores que no producen mucho calor debido a su alta eficiencia, ¿sería realmente masivo el enfriamiento? ¿Los superconductores experimentales modernos utilizan lo mejor en aislamiento térmico y requieren una potencia de enfriamiento masiva? Para la resistencia del aire, esto es en el vacío, pero los imanes viajan a veces tan increíblemente rápido que incluso las pocas partículas perdidas pueden causar problemas; No estoy seguro.
¿Cómo se levanta el cilindro de vacío para los imanes? Cuanta más masa se levanta, más grandes y rápidos deben dispararse los imanes. La mayoría de los superconductores están bien aislados y usan nitrógeno líquido (77k) como refrigerante, pero luego hay que levantar el nitrógeno líquido. Básicamente, estoy diciendo lo que sucede si la eficiencia en una dosis del 98% todavía funciona

El problema planteado en el artículo es que si el radio del planeta fuera un 50% más grande, los combustibles químicos actuales para cohetes no permitirán que los cohetes escapen de la gravedad terrestre.

Según el artículo, esto se debe a que los cohetes tienen un límite de diseño sobre la cantidad de combustible que pueden transportar en el lanzamiento, lo que limita su capacidad para escapar de un planeta de cierto tamaño mínimo.

Pero pueden muy bien orbitar.

Siempre que los cohetes puedan alcanzar órbitas incluso con combustible marginal restante, deberíamos poder crear una solución basada completamente en la tecnología disponible actualmente (o en un futuro cercano), aunque sea muy costosa. Supongo que eso no es motivo de preocupación para el rescate de personas varadas.

Considere una serie de naves espaciales en órbita, que son esencialmente estaciones de reabastecimiento de combustible, alojadas en órbitas con algo de combustible residual. Instalado únicamente para permitir el reabastecimiento de combustible del último vehículo de transporte de personas.

Un cohete reutilizable en un vehículo de escape de transporte de personas en órbita debería poder reabastecerse de estas estaciones en órbita lo suficiente como para permitir el escape.

Una posible solución sería convertir la montaña más alta en un arma espacial. Dependiendo de la densidad de la atmósfera a esa altitud, se puede ir directamente a la órbita o lanzar un vehículo (cohete) a una órbita baja y desde allí usar propulsor para liberarse del pozo gravitacional.

Si usamos el radio de 9680 km del artículo y asumimos una densidad promedio igual a la tierra, terminamos con un planeta que tiene las siguientes características:

Masa media de la Tierra:

5.98 ∗ 10 24 k gramo / ( 1.33 ∗ π ∗ 6 , 378 , 000 metro 3 ) = 5516 k gramo / metro 3
La masa de nuestro planeta:
( 1.33 ∗ π ∗ 9 , 680 , 000 metro 3 ) ∗ 5516 k gramo / metro 3 = 20,9 ∗ 10 24 k gramo

Velocidad de escape de nuestro planeta:

( 2 ∗ ( 6.67 ∗ 10 − 11 ) ∗ ( 20,9 ∗ 10 24 k gramo ) / ( 9.680 ∗ 10 6 ) ) 0.5 = 16.9 k metro / s

Gravedad superficial:

( 6.67 ∗ 10 − 11 ) ∗ ( 20,9 ∗ 10 24 ) / ( 9.680 ∗ 10 6 ) 2 = 14.88 metro / s 2

Dado el aumento de la gravedad, es poco probable que veamos montañas tan altas como las de la Tierra, pero hagamos un cálculo aproximado y supongamos un pico máximo de 5 km.

En la tierra, hemos perforado hasta 12 km de profundidad en la corteza (gracias a una broca de 2 pulgadas), por lo que no está descartado que en un futuro cercano podamos excavar un túnel desde la cima de la montaña y Continúe 5 km en la corteza, básicamente creando un barril de 10 km de largo.

Tenemos cohetes, incluso los más pequeños como el SS-520-5, que pueden alcanzar la órbita desde la Tierra. Entonces, para probar el concepto, podríamos hacer que el arma espacial coloque un cohete a una altitud donde la velocidad de escape sea igual a la de la superficie terrestre.

( ( 6.67 ∗ 10 − 11 ) ∗ ( 20,9 ∗ 10 24 ) / 11.2 metro / s 2 ) = 11 , 156 , 476 metro

Nuestra pistola espacial debe ser capaz de colocar el cohete en:

11 , 156 , 476 – 9 , 680 , 000 = 1 , 476 k metro
por encima de la superficie del planeta. Bueno, eso no va a funcionar, ya que lo más lejos que hemos llegado con una configuración similar a una pistola espacial es enviar 180 kg a 180 km.

La segunda opción sería acelerar el cohete para que salga de la boca del cañón con suficiente velocidad para compensar el aumento en la velocidad de escape.

16.9 k metro / s – 11.2 k metro / s = 5.7 k metro / s
Ian McNab propuso un diseño para un cañón de riel que podría acelerar un proyectil de 400 kg a 7,5 km/s en 2003.

Sin embargo, debo admitir que las matemáticas se me escapan cuando trato de construir un modelo que tenga en cuenta la densidad atmosférica a 5 km de altitud en nuestro planeta imaginario. La resistencia es enorme y existen enormes desafíos estructurales para acelerar un cohete existente al ritmo de 165 Gees y evitar que se queme una vez que sale de la boca del arma. Al final, una solución coherente estaba más allá de mi capacidad.

Deberías ser capaz de desarrollar esto. Solo necesita ecuaciones para mostrar cuánto de su velocidad total puede lograrse con un arma realista. Y diría que, por puntos de estilo, deberías tener el arma espacial perforada en la montaña, ¡preferiblemente por Boring Company!
@kingledion después de leer la información de la etiqueta, debo reconocer que tienes razón. Mi respuesta está incompleta. Actualizaré según el radio de 9680 km del artículo.
Quizás una buena referencia: en.wikipedia.org/wiki/StarTram
No, una pistola espacial no funcionará. Toda la aceleración ocurre antes de que el proyectil abandone el cañón. Un cohete acelera todo el camino. Una pistola espacial mataría a cualquiera en ella.
@Pasqueflower Creo que es un problema práctico de longitud en lugar de una imposibilidad.
Quizás podría convertir esto en una respuesta plausible mezclándolo con el motor de fisión pulsada. En lugar de poner las bombas en la nave espacial, lánzalas a la nave espacial con tu arma, eliminando así una gran parte de la masa.
Pero una catapulta espacial puede disparar robots y materiales de construcción que posiblemente permitan a las personas construir un ascensor espacial.

¿Qué pasa si usamos un sistema de propulsión tipo WEAV para llegar a la órbita terrestre baja... https://www.scientificamerican.com/article/worlds-first-flying-saucer/ Esto usa electrolodos y campos magnéticos para crear plasma que empuja el aire lejos de la nave generando sustentación desde cualquier superficie con poca aerodinámica o partes móviles involucradas, luego usa propulsores magnetohidrodinámicos de 200 kilovatios https://www.nasa.gov/centers/glenn/about/fs22grc.html para alcanzar velocidades cercanas a 200,000 millas por hora con 200 (13 veces la del transbordador espacial) utilizando plasma de hidrógeno no condensable y energía eléctrica como combustible.

Frio. Sin embargo, parece que solo funciona dentro de las atmósferas, ya que necesita aire para empujar, por lo que no hay maniobras en el espacio. Por supuesto, podría obtener suficiente velocidad acumulada en la atmósfera para ayudar en gran medida a los viajes espaciales. Además, tengo la sensación de que los requisitos de energía serán enormes si esa nave levanta algo pesado. +1

TCAT117 sugiere un motor de fisión pulsada, pero estos son terriblemente contaminantes y, por lo tanto, nunca se han probado.

https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_thermal_rocket ofrece otra alternativa. Este consiste en un reactor nuclear como fuente de calor, a través del cual se calienta hidrógeno líquido y se utiliza como propulsor en una tobera similar a la tobera de un cohete convencional. De hecho, se consideró este diseño y se llevaron a cabo algunas pruebas de motor. Es mucho menos peligroso que un motor de fisión pulsada, pero los cohetes químicos son menos peligrosos que cualquiera de las opciones nucleares, por lo que en el mundo real ganaron.

El hidrógeno es el propulsor preferido ya que sus moléculas ligeras dan la mayor velocidad de escape a cualquier temperatura dada.

Los siguientes son aspectos destacados de la comparación en el artículo de Wikipedia, que he copiado aquí según lo solicitado:

Impulso específico 850-1000 segundos, más del doble del típico para un motor impulsado por oxígeno/hidrógeno. El impulso específico es el número de segundos que una etapa puede producir un empuje igual a su peso inicial de combustible antes de que se agote el combustible. Es proporcional a la velocidad de escape. Así, el simple cohete térmico nuclear de núcleo sólido es capaz de duplicar la eficiencia de uno químico.

Empuje: relación de peso lograda en la era apolo (alrededor de 5: 1 en un planeta de 1,5 g). Esto es mucho menor que un cohete químico y significa que los cohetes térmicos nucleares son más adecuados para usarse en etapas superiores donde los tiempos de combustión son más largos. La primera etapa (únicamente) de un cohete necesita una relación peso-empuje alta, ya que el despegue vertical significa que inicialmente se usa una gran cantidad de combustible para combatir la gravedad. Cuanto antes pueda desarrollar algo de velocidad y entrar en una trayectoria casi horizontal, mejor. Una vez que esto se logra, los tiempos de combustión más largos a una aceleración más baja no son una desventaja. La era SNTP (artículo separado) alcanzó 30: 1, una relación peso-empuje en la que la masa del motor deja de ser un problema real. https://en.wikipedia.org/wiki/Project_Timberwind#Space_Nuclear_Thermal_Propulsion_Program

De hecho, la NASA consideró reemplazar la tercera etapa de Saturno V (conocido como Saturno IV-B) con un cohete térmico nuclear para mejorar el rendimiento.

El artículo de wikipedia tiene un ejemplo trabajado basado en el Saturno IV-B y presento un resumen a continuación. Delta V es la medida estándar de eficiencia de un cohete en el espacio, igual a la diferencia de velocidad que es capaz de partir antes de agotarse.

El autor parece haber descuidado la masa de las etapas superiores. Si se tiene en cuenta, esto favorecerá aún más al cohete térmico nuclear en la comparación masa/masa, ya que la masa del motor será menos significativa.

Estándar Saturn VI-B alimentado con hidrógeno y oxígeno

Masa alimentada 119800 kg, masa seca 13400 kg, impulso específico 475 s.

Delta V (414 s × 9,81) ln(119.900/13.311), = 8900 m/s

Cohete térmico nuclear, volumen/volumen coincidente de reemplazo directo

Masa con combustible 38 600 kg, masa seca (debido al aumento de la masa del motor) 17 300 kg, impulso específico 850 s

Delta V (850×9,81) ln(38.600/17.300) = 6.700 m/s.

Si bien el Delta V es más bajo, la masa de la etapa es mucho más liviana debido a que el propulsor de hidrógeno es más liviano que el bipropulsor de hidrógeno/oxígeno de la etapa original, por lo que las etapas a continuación lo compensarán.

Cohete térmico nuclear, reemplazo de masa/masa coincidente

Masa alimentada 19 000 kg, masa seca (debido al aumento del tanque) 38 300 kg, impulso específico 850 s (850 s × 9,81) ln (119 900/38 300), o 9 500 m/s

La NASA consideró una etapa aún más pequeña debido a las limitaciones del edificio de ensamblaje de vehículos: 10 429 kg vacíos y 53 694 kg con combustible. Esto mejoraría la capacidad de carga útil del Saturn Vf de 127.000 kg entregados a la órbita terrestre baja (LEO) a 155.000 kg.

Esta es una mejora moderada en los cohetes químicos, basada en la tecnología de la era Apolo y lejos de estar optimizada. Un ejemplo basado en el proyecto Timberwind sería una mejora mucho mayor, un aumento de carga útil de 1,5 a 4 veces. https://en.wikipedia.org/wiki/Project_Timberwind#/media/File:SNTP_Upper_Stage_Applications.png

Tenga en cuenta que la segunda etapa del transbordador espacial (los motores principales) se encendió desde el despegue, aunque la mayor parte del empuje inicial fue proporcionado por los propulsores de la primera etapa. Prevería un arreglo similar con propulsores químicos alrededor de un núcleo de cohete térmico nuclear, para mantener el motor de cohete térmico nuclear pesado encendido durante el mayor tiempo posible.

Un tema mencionado es que el impulso específico de los cohetes térmicos nucleares está limitado por la temperatura máxima que puede soportar el reactor. Creo que un motor híbrido con un núcleo térmico nuclear seguido de una inyección de oxígeno en la corriente de hidrógeno en un dispositivo de poscombustión para el despegue podría mejorar este problema para dar un impulso específico aún mayor, y tendría un gran potencial como primera etapa.

¿Alguna idea de cuáles son los números aquí? Sí, los NTR tienen un impulso específico bastante bueno cuando los ejecutas a alta velocidad, pero eso se debe a un flujo de masa muy pequeño. Para despegues con una gravedad de 1,5 g, probablemente sea deseable aumentar la relación de empuje a al menos 30 N/kg. ¿Existen diseños plausibles con un alto poder específico?
@ Alpha3031 Sé poco sobre el tema, pero sé que es una sugerencia más práctica que otras enumeradas aquí. He copiado algunos de los datos del artículo de Wikipedia, que enumera relaciones de empuje de 7: 1 (aproximadamente 70 N / kg). Pero luego encontré información más actualizada sobre el proyecto Timberland con relaciones de empuje de 30: 1, por lo que puedo arreglar mi respuesta más tarde. Definitivamente probaron en tierra en la era Apolo. Está claro que no hicieron pruebas de vuelo en la era de Timberland, pero no está claro si las probaron en tierra o no. Todavía estaban proponiendo y diseñando algunos motores potentes.
Buena elaboración. Sin embargo, ¿la inyección de oxígeno aumenta la Isp? Tenía la impresión de que aumenta el empuje puramente a través del aumento del flujo de masa.
@Alpha3031 La inyección de oxígeno reduciría Isp, al igual que ejecutar un dispositivo de poscombustión en un caza reduciría la eficiencia. Pero un motor híbrido nuclear+oxígeno seguramente daría mejor ISP que un cohete químico, que sería lo mejor de ambos mundos para el despegue.
La gran pregunta que tengo en mente en este momento, después de haber leído sobre el proyecto Timberland, es ¿cómo evitar que una etapa superior nuclear se sobrecaliente hasta el momento de usarla? Fácil en la plataforma de lanzamiento, lo enfrías con agua, pero en el aire o en el espacio, ¿qué haces? ¡Para las aplicaciones de Star Wars, podrían estar inactivos durante meses!
Supongo que tendrías que manejar la criticidad de la reacción de todos modos (no sería bueno ir rápidamente a un estado supercrítico). ¿Hay alguna barrera para simplemente encender el reactor poco antes de quemarse?

Usarías un "cañón" para lanzar un proyectil en órbita. Los cañones usan explosivos y no se limitan a la energía de combustión del combustible combustible.

Las matemáticas de orbitar un proyectil en función de la velocidad serían las mismas que las de los cohetes. La única excepción es que el proyectil se acelera bajo fuerzas extremas, pero las velocidades finalmente serían las mismas.

Wiki describe el concepto de "arma espacial":

https://en.wikipedia.org/wiki/Space_gun

Los desafíos con el lanzamiento de proyectiles en órbita son las fuerzas y los materiales necesarios para mantener el proyectil unido. Una pieza de tecnología como un satélite se destruiría en el proceso, pero podría empaquetar el satélite dentro de una carcasa dura. Empaque el satélite de manera que no tenga huecos y vuelva a colocar la unidad en su forma funcional una vez en órbita.

Este es un problema formidable. Dividámoslo en dos problemas: cómo llevar satélites al espacio, luego, ¿cómo llevamos gente allí?

Para los satélites, querrá un sistema de propulsión de iones, ya que estos tienen un impulso específico mucho más alto (> 3000 s) que los cohetes químicos (~ 450 máx.). El problema es que la propulsión iónica tiene un empuje bajo y no funciona en la atmósfera. Por lo tanto, deberá lanzar los satélites al espacio utilizando cohetes químicos antes de liberarlos y encender los propulsores de iones. Si la atracción gravitatoria sigue siendo lo suficientemente baja como para permitir que los satélites se aceleren en una órbita "terrestre" baja con combustibles químicos, los satélites podrán escapar constantemente del planeta a través de sus propulsores de iones sin volver a caer. Cuando llegue el momento de sacar a la gente, podría montar un segundo cohete en órbita y usarlo para escapar.

Ahora, si no puede acelerar sus satélites lo suficientemente rápido para mantener la órbita, tiene un problema. Podría instalar un mecanismo de disparo propulsado por explosivos en el primer cohete después de que se quede sin combustible para acelerar rápidamente el satélite a una órbita estable. La ventaja de esto sobre un combustible químico es que puede usar compuestos químicos de alto impulso específico que tenderían a explotar si se usaran en un propulsor, y solo necesitaría acelerar el peso del satélite en lugar del cohete y el combustible. Entonces sería físicamente posible ensamblar un segundo cohete en órbita de esta manera (usando propulsores de iones para ajustar las órbitas), pero poner a una persona en ese cohete podría ser difícil ya que la aceleración del mecanismo de disparo probablemente la mataría.

Supongamos que no podemos escapar de esa manera. Usemos nuestro sistema de mecanismo de disparo para poner robots en órbita. Si tienes una luna orbitando el planeta, podrías establecer una base robótica allí. Alternativamente, podría ensamblar un satélite artificial como base. Si asumimos que construir un útero artificial es factible, podríamos instalar uno en nuestra base y poner en órbita un embrión congelado. Probablemente tomaría algunos intentos antes de que puedas criar a un niño remotamente hasta la edad adulta, y sería increíblemente costoso mantenerlo, pero no hay una ley física que lo impida.

Ahora puedes proceder a conquistar el universo.

Hipotéticamente, ¿de qué tipo de "compuestos químicos de alto impulso específico" estamos hablando aquí?
Estaba pensando en los propulsores utilizados para la artillería, que pueden alcanzar velocidades de salida de >1 km/s en la atmósfera. "Impulso específico" no es realmente la palabra correcta, ya que el mecanismo de lanzamiento es completamente diferente, pero ahí hay una analogía.
Entonces, ¿los otros 10 km / s más o menos de delta-v para alcanzar la órbita baja serán del propulsor LOX / combustible estándar? No veo la ventaja de llevar la masa extra, TBH.
¿Cómo es posible que la gente escape de un planeta demasiado grande para los cohetes químicos?
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