¿Cómo se podría propulsar continuamente una nave espacial si gira para simular la gravedad (por amarre)?

Para viajes espaciales tripulados a largo plazo, la gravedad podría simularse girando un hábitat en una atadura larga a un contrapeso. Los motores de cohetes químicos convencionales dan a una nave espacial un breve impulso inicial. El modo de gravedad artificial podría iniciarse después desplegando las ataduras.

Pero algunos motores de cohetes están diseñados para dar propulsión continua durante largos períodos de tiempo. Pienso, por ejemplo, en velas térmicas nucleares, eléctricas iónicas y solares. ¿Cómo podrían instalarse tales motores de cohetes en una nave espacial que tiene una cuerda giratoria larga? Si se coloca en el centro de masa, ¿no doblaría ese motor las correas y sería una buena forma de diseñarlo? ¿Se requerirían estructuras rígidas en lugar de un cable flexible desplegable?

Respuestas (1)

Parte de la rigidez requerida podría ser proporcionada solo por la rotación, por lo que es más simple de describir como una fuerza centrífuga (realmente no existe, es simplemente un producto de otras fuerzas), y sería más simple limitar la oscilación lateral, si el empuje se aplica perpendicular al vector de rotación desde todos sus extremos simultáneamente, es decir, su rueda no rígida gira 90° con respecto a su vector de velocidad.

Mi primera edición fue incorrecta. Girar en el eje a lo largo de su vector de velocidad no solo complicaría el diseño del motor, sino que eventualmente colapsaría la estructura a medida que una parte de la rueda desacelera mientras que la otra acelera durante una sola rotación. Entonces, a menos que pueda compensar la fuerza de propulsión con campos magnéticos para mantener las partes extremas de la rueda a una distancia estable, esto no funcionaría. Pero rotar la rueda perpendicular al vector de velocidad podría hacerlo. Si las dos fuerzas (centrífuga de nuestra rotación y propulsora de nuestros motores) se mantienen exactamente en un ángulo de 90°, no son interactivas y los extremos de la rueda mantendrían exactamente la misma distancia entre sí como si los motores estaban fuera. Eso es cierto porque el vector de fuerza centrífuga es igual en todas las direcciones a lo largo del plano de rotación de la rueda,

El problema es que sería imperativo mantener el vector de empuje (su normal) perpendicular al plano de rotación de la rueda, los dos (o más, pero eso es aún más difícil de hacer entonces) los motores tendrían que estar perfectamente sincronizados y funcionar en un modo de compensación mutua, donde todos los demás motores tendrían que ajustarse a lo peor de ellos. Entonces, si bien los motores funcionan exactamente como se esperaba, esto podría ser relativamente simple. Simplemente ignore que toda la estructura también gira y considere todas sus partes extremas con motores como naves espaciales individuales que vuelan en formación de precisión. Si su vector de velocidad es exactamente perpendicular al plano de rotación, estas fuerzas no tienen ninguna influencia entre sí. Sin embargo, cuando un motor comienza a actuar, todos los demás tienen que hacer lo mismo y compensar,

Entonces, en mi opinión; factible, pero complicado. Una estructura rígida con un motor central sería más simple...

"Si las dos fuerzas (la centrífuga de nuestra rotación y la propulsora de nuestros motores) se mantienen exactamente en un ángulo de 90°, no son interactivas y los extremos de la rueda mantendrían exactamente la misma distancia entre sí que si la motores estaban apagados Eso es cierto porque el vector de fuerza centrífuga es igual en todas las direcciones a lo largo del plano de rotación de la rueda, y la fuerza en cada una de sus partes se cancela por su extremo opuesto " Muy contrario a la intuición, podría deberse a que la intuición asume la resistencia del aire . Entonces, ¿una aceleración en el centro de masa no dobla un alambre giratorio perpendicular?
@LocalFluff La idea aquí (con un motor central) es que su fuerza centrífuga, la que supuse que la querría a ~ 1 g para simular la gravedad similar a la de la Tierra, es mayor que su fuerza de aceleración a lo largo del vector de velocidad, por lo que el la fuerza centrífuga aplana toda su configuración a lo largo de su plano de rotación. Si usara una estructura no rígida, los extremos rotarían inclinados alejándose del vector de velocidad más de 90° (es decir, los extremos estarían más cerca), por lo que también sería más rápido, pero a la misma distancia de la parte central. eso es más fácil de mantener la orientación de la configuración de dos motores.
Por ejemplo, si gira la rueda no rígida con un motor central a una velocidad tal que termina con una fuerza centrífuga de 1 g, si el motor central también acelera a 1 g, termina con los extremos de la rueda girando 90° entre sí. otra (45° a la parte central) a lo largo del vector velocidad. En cuanto a la parte contraria a la intuición, sí, me imagino que ajustamos automáticamente la resistencia del aire en nuestras mentes. Pero incluso entonces, podría ser una configuración estable con una tasa de rotación suficiente. Así es como funcionan, por ejemplo, los giroscopios. ;)
Entonces, con cables no rígidos, ¿el motor sería la punta de un cono con los cables girando sobre la repisa detrás de él? ¡La aceleración de 1G y la "gravedad" rotacional de 1G dan un ángulo de 45 grados de ese "cono", ya veo! Los motores de propulsión continua de los que he oído hablar son motores de aceleración prácticamente constante, por lo que podría no ser un gran problema conectar un módulo de nave espacial habitable y su contrapeso, perpendicular (bueno, arrastrando en algún ángulo) a uno de esos? Dada la ingeniería perfecta de equilibrar las cosas idealmente, etc. Si entiendo su evaluación de la física básica de esto correctamente.
Si dibujas vectores en una hoja de papel, si los dos vectores de 90° tienen la misma fuerza (dibujados por su longitud), entonces su producto es de 45° para ambos. Entonces sí, se vería como una "V" con la punta apuntando en la dirección del vector de velocidad. Las físicas... son interesantes. Especialmente para los habitantes, ya que experimentarían la gravedad artificial en la dirección opuesta a la atadura (el punto de conexión de la atadura siempre estaría hacia arriba para ellos).
¿Es el radio de la base del cono que describe el hábitat lo que importa, o la longitud de la cuerda hasta la punta (motor) del cono?
En un ángulo lo suficientemente agudo con la punta del cono que lo acelera (constantemente en la misma dirección, con suerte), sería casi como caminar sobre la superficie de la Tierra. La centrífuga lo jalaría casi directamente "hacia abajo" (en la misma dirección) dondequiera que se encuentre en la rotación. Los hábitats colgantes en ese tiovivo podrían formar un piso transitable común, dada la suficiente aceleración de su motor sobre sus cabezas.
Solo para la fuerza centrífuga el radio del cono, pero también obtienes la fuerza de aceleración de tus motores. A 1 rpm, necesitaría un radio de ~ 894,26 m para una aceleración centrífuga de 1 g ( ω 2 r ). A medida que tira de los extremos uno hacia el otro con la fuerza de aceleración aplicada en el centro de la correa, el r disminuye pero las rpm aumentan. Como la energía total del sistema giratorio no cambió, la fuerza centrífuga tampoco, pero hay que sumar la fuerza de aceleración en el vector de velocidad. Querrías una correa larga también para reducir el gradiente de gravedad artificial de pies a cabeza.
Supongo que si quisiera hacer de este un sistema de empuje variable, aún podría igualar 1 g en la zona habitable aumentando la longitud de la correa a medida que disminuye la aceleración y viceversa. Pregunta interesante, gran respuesta!
¿Cómo se podría propulsar continuamente una nave espacial si gira para simular la gravedad (por amarre)?
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