¿Cómo serán los vehículos espaciales reales en el futuro?

La mayor parte de la ciencia ficción de hoy en día es poco imaginativa y poco realista cuando se trata del futuro diseño de naves orbitales e interplanetarias.

¿Cómo se verán las naves espaciales y los hábitats cuando los construyamos en gravedad cero utilizando técnicas de deposición al vacío y materiales extraídos de asteroides? Atrás quedaron los cilindros familiares, las alas, la aerodinámica que son todo legado a una atmósfera. También se han ido las construcciones delgadas y delgadas, ya que la masa del material de construcción será abundante (cuando se extraiga de los asteroides).

No creo que los vehículos duren mucho con los motores al final. Esto significa que la tripulación estaría constantemente subiendo escaleras y usando ascensores cuando estuviera bajo empuje.

Esto deja manchas achaparradas y gordas. ¿Quién ha explorado más esta área? ¿Dónde puedo encontrar la mejor colección de diseños plausibles bien pensados?

Los comentarios no son para una discusión extensa; esta conversación se ha movido a chat .
@Pelinore si tiene algún ejemplo de diseño de ciencia ficción que no involucre diseños derivados de vehículos atmosféricos y restricciones de lanzamiento atmosférico, no dude en enumerarlos aquí.
@pelinore sí, se deriva (casi en su totalidad construido a partir de) lo que parecen módulos cilíndricos de 4,6 m de diámetro, que tienen el tamaño del compartimiento de carga útil del transbordador. Esta es una restricción de diseño proporcionada por una nave atmosférica. También tiene una serie de tanques de combustible externos de lanzadera.
Ah, de su comentario sobre la respuesta de @PipperChip "Descarté las formas que se eligieron debido a la restricción de tener que lanzar todo, desde la superficie hacia arriba a través de una atmósfera" // Es justo entonces, pero necesita editar su pregunta para mostrar de lo que está hablando claramente (los módulos y componentes individuales en lugar de la estructura y el diseño en el que están vinculados), en la actualidad no es así, y esa explicación debe estar en el primer párrafo para que las personas se sientan en el marco correcto b4 leyendo el resto.
@pelinore No sé... ¿qué parte de "cuando los construimos en gravedad cero con técnicas de deposición al vacío" no está clara?
La parte en la que no dices que solo te refieres a los módulos en lugar de a todo el barco.
@Pelinore Me refiero a todo el barco. Mira, simplemente no lo entiendes. Gracias por tu aporte, creo que hemos terminado.
Si te refieres a toda la nave, entonces estás equivocado, si solo te refieres a los módulos más pequeños de los que se compone, entonces tienes razón.

Respuestas (2)

Esta es una respuesta un poco de cambio de marco. Estoy respondiendo como un entusiasta del espacio, pero también como persona en una empresa aeroespacial.

¡No descartemos las formas simples, como los cilindros, como resacas de la aerodinámica demasiado rápido! Hay algunas consideraciones importantes, incluso con abundante material y prácticamente sin gravedad, que pueden conducir a formas simples (cilindros, esferas, prismas rectangulares) que dominan el desarrollo de naves espaciales.

Centro de masa y centro de empuje

Todavía hay virtudes en alinear el centro de empuje y el centro de masa, ¡como no perder el control! Para aquellos que no están familiarizados con estos términos, el centro de masa es el "punto medio" de toda su masa, y el centro de empuje es hacia donde apunta el "empuje" de sus motores. No alinearlos da como resultado que la nave espacial gire, por lo que se debe hacer algo para contrarrestar esto. Se preferirá a otros un diseño que evite gastar más combustible para contrarrestar cualquier momento/par producido por motores colocados de manera extraña en formas colocadas de manera extraña.

Resulta que si construyes una forma conocida (como una esfera, un cilindro, un ladrillo) tienes una idea decente de dónde podrían estar el centro de masa y el centro de empuje. ¡Esto incluso explica la carga impar! Si construye una forma irregular, necesita hacer muchas más matemáticas para tener en cuenta la distribución de masa y el empuje. Dependiendo de la carga, incluso los cohetes con cardanes (aquellos cuyas boquillas pueden apuntar) pueden no funcionar en estas formas excéntricas.

Este problema se agrava si los motores utilizados no se pueden acelerar o más de un motor necesita encenderse para el movimiento "hacia adelante". Las formas extrañas podrían depender fácilmente de múltiples motores para un simple movimiento "hacia adelante" para tener en cuenta la carga o la estructura. Esto introduce más puntos de falla, que es un diseño menos robusto, lo que significa que será menos favorecido por el diseño práctico. Además, si la potencia de los motores siempre debe ser máxima o nula (sin aceleración), buena suerte para colocar los motores de "respaldo" en el lugar correcto. Las formas simples generalmente significan que necesita menos motores para el movimiento 'hacia adelante' y depende de un cardán modesto para tener en cuenta un motor perdido o una carga irregular.

Todavía necesitas construirlo

Oye, puede que haya material equivalente a una galaxia, pero aún necesitas dedicar tiempo y esfuerzo para construir la nave. Eso todavía cuesta algo; tiempo, posiblemente dinero, y ciertamente recursos.

Resulta que las formas simples le permiten minimizar la cantidad de material sin dejar de obtener el volumen que desea. De acuerdo, tal vez los barcos no siempre sean un ladrillo o un esferoide, ¡pero estas formas tienen una buena relación volumen-área de superficie en comparación con otras!

Consideraciones de estabilidad mecánica

Es genial que tu nave espacial parezca una anémona, pero también se dobla como tal. Eso no es divertido cuando tu comedor está en un tentáculo, los dormitorios en otro y tu piloto está en otro. El pobre Bill tuvo que esperar hasta que terminó la maniobra de aceleración (¡lo cual fue un año completo!) antes de que el pasillo de sus aposentos volviera a tomar forma. Eso es mejor que Steve: su tentáculo se rompió durante la última corrección de emergencia.

Tal vez si la nave tuviera una forma simple para soportar las cargas de empuje y maniobra, problemas como este nunca sucederían. Algo así como un prisma esferoide o rectangular... Estas formas son capaces de sostenerse con menos material y caminos de carga claros en comparación con algo más delgado.

Una forma más robusta puede permitir maniobras más agresivas con menos material (o 'estructura primaria'). Menos estructura primaria significa más espacio para la carga útil o incluso mayores maniobras de aceleración. En general, estas cosas son deseables para la mayoría de las naves espaciales.

Consideraciones térmicas

Debe tener cuidado con las superficies de control térmico. Si un radiador (para deshacerse del exceso de calor, una de las únicas formas en el espacio de hacerlo) está al lado de su cámara térmica, todo lo que verá es su radiador. ¿Cómo evitas esto?

Elige una forma que tenga superficies que apunten en dirección contraria. Los esferoides, cilindros y cubos no tienen este problema. La otra solución es tener sensores 'ubicados inteligentemente', lo que abre algunas posibilidades para formas extrañas. (Ver ISS: ¡no todos esos paneles son paneles solares!)

No pensé que descarté las formas simples. Descarté las formas que se eligen debido a la restricción de tener que lanzar todo desde la superficie a través de una atmósfera. También descarto las formas que hacen que las naves espaciales parezcan aviones simplemente por una sensación de familiaridad. Personalmente, creo que veremos cosas esféricas grandes, feas y llenas de bultos con mierda pegada por todos lados, pero no veo a nadie publicando nada ni remotamente parecido a lo que estoy imaginando.
Las formas esféricas de @Innovine, si no populares, se usaban con suficiente frecuencia en los libros de ciencia ficción en los viejos tiempos, sin embargo, no recuerdo las que se usaron en películas, de esa época y posteriores, excepto la estrella de la muerte de Star Wars. No sé, si me atrevo a hacerlo, tal vez escribiré algunas palabras sobre los pros y los contras de las formas básicas. Idk, q, se puede mejorar si haces una lista de formas y una lista de razones por las que te gustan y no te gustan. Últimamente comencé a pensar que el concepto de monocasco de las naves espaciales es lo que no es realista en algunos casos, siendo ese un problema mayor, menos su forma.
Voy a discutir que las formas complejas hacen que sea difícil encontrar centros de masa. El software CAD ya es bastante bueno para hacer ese tipo de cosas; realmente no es tan difícil de hacer con computadoras (hacerlo a mano , ahora, sería otra cosa). Y su carga será desigual y necesitará mecanismos para compensar pase lo que pase. No va a calcular perfectamente los centros, incluso si no tiene nada (por ejemplo, personas) moviéndose dentro. Sin embargo , hemos estado construyendo cohetes que pueden compensar en tiempo real durante años, si no décadas. (¡Quiero decir que Apolo lo hizo!)
@Matthew Sí, CAD puede volverse bastante elegante y las aproximaciones numéricas son bastante buenas, pero luego necesita el hardware para ajustarlo. ¡El ajuste para cargas desiguales no es una operación matemática pura! Puede requerir más rango en un cardán o más motores, lo que actualmente significa más puntos de falla física, que es un diseño menos robusto. Obviamente, la innovación puede ocurrir aquí, pero mientras tanto, puede tomar la ruta fácil si formas simples.
@Innovine "Se acabaron los cilindros familiares, las alas, la aerodinámica que son todo un legado para una atmósfera". A esto me refiero. Pido disculpas si había leído mal su significado. El punto aquí es que hay buenos méritos para las formas básicas que van más allá de las consideraciones aerodinámicas.
Ah, para ser claros, supuse que todavía diseñarías los motores (ubicación de los mismos, en particular) para minimizar esos problemas. Solo digo que no es imposible tener formas inusuales. Relacionado, puedes volverte tan loco como quieras si mantienes el diseño simétrico/equilibrado. Sin embargo, las esferas o las bolas sobre palos siguen siendo probablemente los diseños más razonables.
La ISS tiene una forma larga, flexible, delicada y compleja, pero recibe frecuentes impulsos a una órbita más alta. Esto me sugiere que las limitaciones mencionadas en esta respuesta no son tan limitantes en la práctica. Tiene una buena simetría y equilibrio, pero es lo suficientemente tambaleante como para que andar en bicicleta estática pueda inducir oscilaciones en los paneles solares. Sin embargo, todavía tiene motores y no refuerzos en todas partes.
@matthew, el LM, al comienzo del descenso motorizado, quemó el motor a bajo empuje durante algunas decenas de segundos mientras medía las tasas de rotación y calculaba y compensaba el centro de masa exacto.
@Innovine Sí, la ISS es capaz de aumentar y lo hace, pero esto no niega el hecho de que tienen un límite superior de cuánto pueden aumentar. Desarrollaré el punto sobre formas simples y aceleración ya que obviamente no es lo suficientemente claro.

Una de las razones (bueno, un par de razones relacionadas en realidad) por las que las naves diseñadas para operar más allá de Marte SERÁN largas y delgadas es que probablemente tendrán motores de propulsión nuclear. En ese caso querrás que el Red Hot Glowing Nuclear Death esté lo más lejos posible del compartimiento de la tripulación. Esto se debe a que no desea proteger todo el reactor (el blindaje es pesado y cada gramo cuenta), por lo que utilizará un Shadow Shield lo suficientemente grande como para garantizar que el compartimiento de la tripulación esté en la sombra. Cuanto más lejos estén el reactor y el escudo, más pequeño puede ser el escudo, pero igualmente querrás que la estructura sea lo más liviana posible, o terminará pesando más que el escudo.

Por lo tanto, terminas con el motor (o al menos su fuente de alimentación) en el extremo de la botavara más larga y liviana posible que es lo suficientemente fuerte para hacer el trabajo, y una nave larga y delgada...

Los hábitats, por supuesto, no están tan restringidos en su presupuesto de masa y pueden tener más libertad de forma, aunque como señaló PipperChip en su excelente y completa respuesta, las esferas, los cilindros y similares son formas de ingeniería bien entendidas con buenas relaciones de superficie a volumen. y otras características deseables, por lo que es probable que se prefieran por esas razones. Además, si el hábitat es lo suficientemente grande, es más fácil hacer girar un cilindro para producir gravedad artificial.

En cuanto a "... la tripulación estaría constantemente subiendo escaleras..." Es probable que las naves espaciales del futuro cercano usen motores muy eficientes que consumen poco propulsor, pero también tienen un empuje muy bajo. Es probable que las aceleraciones estén muy por debajo de una décima de G, por lo que la tripulación debería poder avanzar con bastante facilidad.

Acerca de la aceleración, además de la respuesta, una aceleración constante de 1 g lo lleva a una fracción considerable de la velocidad de la luz en unas pocas semanas.
@Pere ¡Buena suerte para encontrar un combustible con ese tipo de empuje que pueda quemar tanto tiempo!
Una aceleración constante de 1 g puede llevarte a cualquier lugar del universo observable durante tu vida. No estoy seguro de cuál es el punto.
Oye, la tripulación que se mueve constantemente puede ser un buen ejercicio. Si ese barco resulta ser de baja gravedad, este ejercicio adicional puede ayudar a contrarrestar la pérdida ósea. ¡Solo decir que un poco de esfuerzo físico adicional puede ser un beneficio!
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