¿Cuál es el mejor diseño para acoplarse a una estación espacial giratoria?

5. El muelle está estático, la estación gira. La carga y los pasajeros se hacen girar a la velocidad de la estación en un punto de transición interno intermedio en su camino del barco a la estación.

Esto crea una estructura de estación más compleja (aunque no tan compleja como 4.) pero un procedimiento de acoplamiento mucho más simple. Sus prioridades aquí deben ser consideradas, la etapa de mayor riesgo es durante el acoplamiento y, por lo tanto, esa parte del proceso debe simplificarse tanto como sea posible. Esto también permite que los barcos más grandes atraquen en su estación sin que su masa afecte la masa giratoria de la estación.

Creo que hacer coincidir las velocidades al "aterrizar" la nave en la parte interior de una estación de anillo sin centro puede ser otra solución.

Usar el tren de aterrizaje y frenar hasta detenerse por completo, luego rodar hacia el puerto de atraque más cercano, a 1 g.

Esto evita problemas de ingeniería relacionados con los sellos giratorios.

#2 es el método estándar de oro. Observa cómo se hace en 2001: Una odisea del espacio .

Nave alineándose en la bahía de atraque

En 2001 vemos la configuración más simple. Conseguir que el público de 1968 aceptara la mecánica de la estación espacial giratoria fue un gran salto. La estación tiene los dos muelles que posiblemente pueda tener. (Uno está lleno, de ahí las luces rojas).

Eso parece terriblemente escaso, pero puedes tener muchos, muchos más con un ascensor . La gravedad es hacia afuera, por lo que las cubiertas son cilíndricas: "bajas" un barco a una "cubierta de hangar" (podría tener muchas cubiertas, soportando muchas, muchas naves). Este escenario imagina mozos de tierra con remolcadores en cada nivel, pero Babylon 5 lo lleva a un nivel superior.

El "ascensor" de Babylon-5 puede moverse en 3 ejes de movimiento como los turboascensores de Star Trek: hacia abajo hasta la cubierta de un hangar, luego radialmente y hacia atrás hasta una estación de acoplamiento específica. Mientras tanto, de vuelta en el centro de atraque, otra plataforma elevadora se ha colocado en su lugar, para esperar el próximo barco. Así que puede completar un ciclo en un minuto o dos. Esto es solo en la sección giratoria, no tengo en cuenta los muelles fijos en Babylon-5.

Su propuesta alternativa es detener la estación cada vez que atraca. Realmente no querrá detener una estación giratoria, nunca . La razón es el agua. Sin las trabas de la gravedad, el agua común que los humanos usan en la estación irá a lugares a los que ni siquiera podrías imaginar que llegaría el agua. Parte de ella puede llegar allí a través de la condensación. Esta agua y la corrosión que la sigue serán una pesadilla de mantenimiento.

El problema con el n.° 1 es que los cálculos de masa y balance tienen que ser muy precisos, y muchas otras cosas tienen que salir bien, o el arranque tendrá forma de pera y la nave espacial chocará con la estación . Eso nunca es bueno. Incluso los buques de guerra navales responden muy mal a las colisiones. Tal colisión seguramente será fatal para la nave estelar y potencialmente calamitosa para la estación espacial también, dependiendo de su estándar de construcción. Levantar masa adicional de la tierra simplemente para endurecer la estación contra colisiones de acoplamiento es una locura, podría tener más sentido si el material se extrajera en el espacio.

Dado que la estación está girando, ella misma tiene una gran cantidad de energía almacenada y la estructura está constantemente bajo tensión para contener esa energía. Un daño estructural significativo a la estación podría causar efectos colaterales que podrían destrozar la estación por completo.

Por otro lado, "desde el borde" es una excelente manera de lanzar naves, particularmente naves de combate, como se ve en Babylon-5. La fuerza centrípeta asegura una ruptura limpia. Tenga en cuenta que la nave aún aterriza en el centro y luego los elevadores la mueven a la posición de lanzamiento.

Tus opciones 3-5 tienen un serio problema: tienes una sección giratoria en la estación espacial. Vea todas las amenazas estructurales anteriores de las que acabo de hablar. Esta es una bisagra muy grande y compleja, similar a la sofisticación de las vías utilizadas para mover el arco de Chernobyl en su lugar, excepto en uso 24x7 y presumiblemente hermético en algunos lugares.

Cualquier problema grave con la sección giratoria conlleva el riesgo de que las secciones de la estación se molieran entre sí, y si las estructuras mutuas comenzaran a excavar entre sí, se produciría un daño cada vez mayor. Entonces sería una carrera a pie entre si a) la fricción de las partes de la estación que se destrozan las detiene relativamente, o si la estructura de la estación está dañada hasta el punto de desgarrarse.

O ambos: a medida que la estación se detiene, la rotación de ambas secciones promedia en masa. Esto hace que la rotación esté fuera de eje y fuera de lugar, y que las fuerzas centrífugas actúen en una dirección diferente a la que alguna vez lo hicieron en la estación, incluida la sección no giratoria que no está construida para la fuerza centrífuga en absoluto . Las secciones giratorias se inclinarían como un barco que se hunde, con todos los pisos ahora en ángulo. Pero sería un pandemónium en la sección no giratoria, donde cualquier cosa que no esté amarrada se estrellaría contra las paredes de cada compartimento, nuevamente, vería daños estructurales. No sé qué combustibles usan sus naves, pero ahora están aplastados contra las paredes del área de atraque... Si es el propulsor binario habitual, ahora tiene tanques de propulsor reventados, ahora tiene un incendio en el muelle, y por "fuego" me refiero a "explosión".

Las secciones de spinning son difíciles y no tan prácticas.

Un enfoque más práctico sería una estación espacial no giratoria que tenga un "muelle permanente" no giratorio justo al lado de uno giratorio, con un cable entre las dos naves. Los teleféricos suben y bajan por el cable. Cada estación puede separar inmediatamente el cable y el propulsor en una " maniobra de ruptura " preparada. El teleférico lleva suficientes propulsores de emergencia para regresar a cualquiera de las estaciones si se suelta.

Tomemos las opciones una por una:

1. Es muy fácil hacer volar un barco hasta un muelle sin peso. Es muy difícil hacer aterrizar un cohete en algo que no es ingrávido. Esta opción exige lo último y no gana precisamente nada. Ningún diseñador de estaciones espaciales consideraría esto seriamente.

2. Suena razonable. Sin embargo, restringe fuertemente la cantidad de muelles. Solo obtiene dos muelles fácilmente, y necesita algunas estructuras locas para proporcionar otros adicionales.

   Esto también requiere que las naves espaciales realmente puedan girar a una velocidad lo suficientemente alta. Eso no es un hecho: un buque de carga probablemente sería solo un escudo muy delgado contra los micrometeoritos y una estructura extremadamente liviana para mantener la carga en su lugar. No estaría diseñado para tomar grandes fuerzas de la carga en ninguna otra dirección que no sea en la dirección de su único motor principal. Hacer girar una nave de este tipo a un ritmo serio solo haría que la carga saliera volando en todas direcciones...

3. La mejor solución en mi humilde opinión. Puedes construir tus muelles tan grandes como quieras, puedes construir tantos anillos de atraque como quieras entre los anillos de estaciones giratorias y, lo más importante, puedes atracar cualquier tipo de barco, incluso los más frágiles.

   Solo necesita agregar secciones de transferencia donde haga girar la carga antes de pasarla a la parte giratoria de la estación y desgirarla antes de pasarla a los muelles.

4. Nuevamente, usted está objetando a los barcos atracados a la gravedad para la cual pueden no estar diseñados. ¿Quiere permitir que cualquier nave atraque y comercie con su estación espacial, verdad?

La respuesta de cmasters es buena. Pero tengo un argumento adicional para la solución uno: la eficiencia del combustible. Digamos que la estación tiene un radio de 1000 m. Desde$a_{centripetal}=\frac{v^2}{r}$, para proporcionar una gravedad de 1G en su superficie, necesita girar con la velocidad de la superficie$v = \sqrt{1000\times10} = 100 m/s$

Dependiendo de la tecnología y la altura orbital, esto podría o no ser un deltaV significativo. Pero si su estación es realmente grande y orbita lejos de su cuerpo central, su velocidad de rotación superficial puede ser similar a la velocidad orbital de las transferencias entrantes y salientes. Eso significa que al usar los muelles laterales, puede ahorrar una cantidad considerable de frenado y reaceleración, desacelerando solo para que coincida con la velocidad del giro de la estación, y atracar suavemente en los ganchos que parecen momentáneamente estacionarios para usted.

La integridad estructural del vehículo se puede mantener si lo orienta de modo que reciba las cargas en su eje de empuje.

Para transatlánticos rápidos de pasajeros y barcos militares con motores de alto rendimiento, es posible que el ahorro no valga la pena por la complejidad adicional, pero para el transporte a granel entre dos estaciones en órbita joviana alta, puede significar que puede omitir por completo los motores de alto empuje de sus cargueros.

Creo que esta es la opción #3.

Hay un problema con la gravedad centrífuga, las cosas que giran quieren girar alrededor de su centro de gravedad; por lo tanto, si el peso no se distribuye uniformemente alrededor de la llanta, el centro de rotación se mueve y la "rotación" se vuelve caótica. es decir, no funcionará, la estructura comenzará a caer (aunque en su lugar).

Por esta razón, necesita compensación automática, dispositivos masivos que puedan mantener el anillo equilibrado para que, a medida que las personas y las cosas se mueven dentro de su anillo, se muevan en contrapunto para mantener el centro de gravedad (el punto de equilibrio) en el centro del giro. .

Creo que su mejor solución de acoplamiento es acoplar en el punto central del anillo, alrededor del cual todo gira. Imagina un neumático de bicicleta con radios gruesos. El anillo de goma es el área habitable, los radios son tanto tubos de viaje como "rieles" que transportan contrapesos que se mueven automáticamente. El concentrador es la estación de acoplamiento.

Agreguemos al cubo un cilindro de transferencia que pueda girar en dirección opuesta a la de giro del neumático completo. Ahora, para aquellos dentro del centro, este cilindro parece estar girando, pero para la nave fuera del centro, el cilindro parece estar estacionario mientras que la estación parece estar girando.

Entonces, el barco se acerca al cilindro de transferencia estacionario y puede hacer una esclusa de aire con él. Objetos (personas y cosas) salen del barco para entrar al hub; son ingrávidos dentro de él. Toman asiento o están asegurados a las paredes. La esclusa de aire está cerrada. El barco de transporte puede partir.

Luego, desde el punto de vista de la estación espacial, este cilindro de transferencia giratorio se "ralentiza" hasta que gira completamente con la estación, tiene gravedad centrífuga (señalando sus paredes) y los pasajeros y la carga pueden salir del cilindro hacia el centro propiamente dicho, donde luego pueden tomar un ascensor "hacia abajo" uno de los radios a las áreas habitables. Las computadoras de la estación espacial moverán automáticamente los contrapesos hacia arriba y hacia abajo en el exterior de los radios para mantener el equilibrio con los nuevos pesos moviéndose.

Todo esto, para los pasajeros, parecería bastante similar a la experiencia moderna de las aerolíneas. Esperar, amarrarse, acelerar, esperar, desacelerar para aterrizar, esperar, salir del avión, recoger su equipaje, navegar a través de su destino (encontrar el radio, el piso correcto, etc.).

Pasarela espacial.

https://thompsen13.artstation.com/projects/d9g3W?album_id=42421

Esto no está en la lista, pero es el más cercano al #1. Es menos atraque que amarre. Los ganchos se extienden radialmente desde la estación hasta varios kilómetros. * Los barcos están enganchados. Luego se quedan donde están. El control de vuelo se cede a la estación que controla la velocidad del barco para mantener la posición al final de su línea. Una pasarela se extiende por la línea y se utiliza para transportar materiales y personas de un lado a otro.

Beneficios

1: No es necesario que tire de los barcos. Déjelos al final del cable. La conservación del momento angular significa que un barco empujado hacia la estación necesitará desacelerar para mantener su posición en relación con el perímetro de la estación.

2: No acerques demasiado las naves a la estación, arriesgándote a colisionar. O daños a la estación si la nave explota.

3: Tienes los barcos a distancia, controlando el acceso en caso de que haya una amenaza a bordo del barco.

4: Si el barco pierde el control, es golpeado o parte inesperadamente, dañará el cable y la pasarela, no la estación en sí.

5. Los barcos pueden ser grandes y puede haber muchos de ellos. Amarrar barcos en el perímetro de un círculo mucho más grande que el perímetro de la estación permite más espacio para barcos y barcos más grandes.

6. Puede reorganizar la posición de los barcos amarrados según sus necesidades.

7. Los barcos parten volando en línea recta, en la tangente del círculo en el que también estaban amarrados.

*(¡Las malas reflexiones geométricas se eliminaron aquí!)

Todos tienen sus propias ventajas e inconvenientes, y dependería exactamente de qué dispositivos los ingenieros logran diseñar mejor y de los diversos niveles de tecnología, materiales disponibles, etc.

• Para que los ganchos funcionen, el carrete del cable podría soltar el cable de modo que el gancho se mueva más lento que el borde de la estación. Una vez que se atrapa el barco, puede reducir gradualmente la velocidad de salida y comenzar a enrollarlo nuevamente. Los cables más largos y las estaciones giratorias más rápidas necesitarán cables más fuertes. Un electroimán también podría ser mejor que un gancho.
• El puerto experimentará un esfuerzo cortante rotacional. Los barcos también desperdiciarán combustible girando cada vez (a menos que uses giroscopios de maniobra); tal vez sea mejor tener un mini gancho en su lugar. Dos "brazos" salen de la proa del barco y quedan atrapados por ganchos alrededor del puerto. Los pasajeros no deberían marearse mucho más que la tripulación de la estación, a menos que maximice los jets de balanceo. Solo cierra las ventanas.
• Mejor, esta estación de paso proporciona la energía para igualar las velocidades angulares.
• La transferencia de impulso parece que solo funcionaría para estaciones diseñadas para ser ingrávidas a veces. Para una estación grande, no sería práctico cerrar toda la gravedad para cada muelle. El muelle giratorio es la versión más óptima de esto.
• Probablemente la opción más fácil, a menos que desee no tener una sección estática por alguna razón.

Creo que también se olvidó: 1. Envíe vectores de velocidad tangencial al borde de la estación para igualar las velocidades en la aproximación más cercana 2. Gira hacia los lados y se desplaza por la costa 3. Cuando esté en la aproximación más cercana, arrástrese hacia la estación para seguir una trayectoria similar a una órbita alrededor de la estación 4. Conéctese rápidamente a la puerto de atraque para evitar el desperdicio de combustible

Lo más realista para mí parece hacer que la nave gire. No se necesitan dispositivos adicionales, solo realice el mantenimiento del puerto con regularidad.

Creo que un centro no giratorio a lo largo del eje de la estación es la mejor opción (en mi humilde opinión, es probable que sea la única opción). Los barcos que entran y salen no suelen tener empuje de sobra y, como señalaron otros, no están necesariamente diseñados para soportar el estrés de la rotación. Además, esto hace posible tener varios puertos de acoplamiento, ya que ya no es necesario que estén exactamente en el eje, siempre que la única conexión a las partes principales de la estación sea a través del concentrador.

El desafío de diseño es entonces cómo unir el cubo axial no giratorio con el resto de la estación giratoria. No soy ingeniero, pero puede ser difícil tener una costura hermética entre dos objetos masivos, uno girando alrededor del otro. Por lo tanto, puede ser más sencillo mantener el cubo en presión cero así como en gravedad cero. Entonces, en algún punto a lo largo del eje, necesitamos una cámara donde los pasajeros puedan tomar una selección de escaleras que giran lentamente y luego bajar un poco (muy baja "gravedad" aquí) a una esclusa de aire.

Otra solución es que la estructura giratoria no necesite ser el muro de contención de la atmósfera exterior. La pared exterior de la estación no gira. Cualquier barco que se acerque puede unirse a cualquier lugar. Los seres humanos abordan una superestructura giratoria en su interior para experimentar la gravedad rotacional. La carga se almacena y se mueve fácilmente en la cubierta exterior sin gravedad.

Una pasarela de atraque pequeña y no giratoria parece la mejor opción. Si tiene unos 3 metros de diámetro, no es un problema de ingeniería difícil. Una gran estación espacial no necesita girar muy rápido, por lo que la "plataforma giratoria" de 3-4 metros desde la que se extiende la pasarela podría hacer una revolución cada pocos minutos. Coloque algunas juntas de seguridad y un sello interno en cada extremo para permitir la rotación de emergencia a mitad de la pasarela o para compensar el movimiento entre la embarcación y la estación, y debería estar bien.

Probablemente sería más seguro conectarse solo durante la transferencia de pasajeros y carga y, de lo contrario, estacionar a unos pocos kilómetros de distancia. Alternativamente, dado que el atraque puede ser una maniobra complicada, sugeriría que la estación emplee lanzaderas de atraque con pilotos altamente especializados y/o controles de vuelo computarizados.

Quiero imaginarme acoplado a una estación espacial gigantesca, tiene unos 20.000 km alrededor del borde, tiene forma de esfera y "rota" a aproximadamente una centésima de RPM (Revolución por minuto). Hay una sola "estación de acoplamiento" como la situación 2, en uno de los polos, llamada "McMurdo bay, Antarctica". ¿La gente de McMurdo se siente mareada? No. Ni siquiera pueden decir que están "girando". Si estuviera aterrizando una nave espacial allí, ¿me sentiría mareado? No. A pesar de que en el borde de esta nave espacial gigante, la gente "viaja" a unos 1670 km/hora. Esta nave espacial es la Tierra y para todos en su superficie, parece inmóvil.

En otras palabras, la idea de "rotación" es como la idea de "movimiento": en el espacio, a velocidades mucho más lentas que la velocidad de la luz, todo es básicamente relativo, y solo sentimos aceleración, no ningún tipo de "absoluto". velocidad". Regrese al experimento mental de Einstein: si estuviera dentro de una nave espacial acelerando de modo que sus pies tocaran el suelo a una agradable y cómoda gravedad simulada en la tierra de 1 g, ¿podría decir si fue por la gravedad o por el encendido del motor del cohete? ? asumiendo que ignoras cosas como ver las paredes, etc. En otras palabras, si está en un semáforo y ve otro automóvil rodar hacia atrás por su ventana, sin poder ver el fondo por alguna razón, entonces, ¿tu cerebro a veces se pregunta si realmente están rodando hacia atrás o estás rodando hacia adelante? Si estás en un tren que va a 245 mph y dejas caer una pelota por la ventana, ¿la arrojaste a 245 mph? No, lo dejaste caer a 0 mph, es solo en relación con el suelo que va a 245 mph.

Lo que estoy desafiando es la idea de que las personas se marearán al rotar a una velocidad de rotación constante más de lo que los astronautas pueden "sentir" que van a una velocidad lineal constante de 25,000 mph. Si un cosmonauta, astronauta o taikonauta no tiene ventanas para ver las estrellas distantes, no creo que puedan darse cuenta de que están girando, dada una velocidad de rotación lo suficientemente baja. Realmente solo sentimos "aceleración", o un cambio rápido en la velocidad, no sentimos la velocidad absoluta. Eso es cierto para la velocidad lineal, y creo que también lo sería para la velocidad de rotación. Dadas las RPM lo suficientemente bajas.

Ahora, hay un problema si estaba girando demasiado rápido... pero ¿qué tan rápido? Una búsqueda rápida en Google muestra que las RPM de una estación espacial que está girando para simular la gravedad terrestre estarán entre 1 y 3 RPM, según el radio de la estación. Ahora, ¿qué tan rápido es 1 RPM, para una mente humana?

Párese en el medio de su piso. Ahora consigue un cronómetro y ponlo en un minuto. Ahora, date la vuelta para hacer un círculo completo en un minuto. Eso es un RPM. ¿Te mareaste? ¿Podría tu cerebro incluso decir que estabas girando? Cierra los ojos y hazlo. ¿Podrías decir que estabas rotando en absoluto?

Es casi el mismo principio que usa la Realidad Virtual. Si cierras los ojos y caminas en línea recta, la mayoría de las veces no podrás hacerlo, porque tu cerebro ni siquiera puede decir qué es un movimiento en línea recta. No le importa tanto. Así es como la realidad virtual puede simular caminar por un camino aunque estés en una habitación pequeña: te engaña para que camines en círculos sin que tu cerebro lo sepa, porque te muestra caminando por un camino relativamente recto usando una óptica distorsionada. Nuestros cerebros no son tan sensibles al movimiento como nos gusta pensar.

En otras palabras, en mi opinión, la opción 2 no es realmente un problema. Aparte del problema de hacer que dos naves giren a una velocidad de giro muy similar. Si vemos una película como Interstellar, esto parece bastante dramático, pero solo porque el equipo de Chris Nolan nos mostraba las estrellas de fondo, el planeta, etc., inflaba la música y tenía momentos de personajes dramáticos al mismo tiempo.

En realidad, imagina atracar contra una enorme nave giratoria. A cierta distancia, la pantalla de visualización solo mostrará el barco. sin fondo Ahora, suponiendo que las RPM sean lo suficientemente bajas, ni siquiera sentirá la rotación, al igual que no puede sentir la rotación en su habitación girando a 1 RPM. Esencialmente será como un procedimiento de acoplamiento normal contra una estación espacial 'estacionaria', excepto que usted tiene que "corregir" su "rotación"... que es lo que ya hacemos cada vez que la Soyuz se acopla con la ISS. Tiene que estabilizarse con respecto a la otra nave, y tiene propulsores de balanceo para lograrlo, en caso de que se produzca un balanceo involuntario por alguna razón.

A medida que te acercas y la estación se hace más grande a tu vista, la rotación misma se convierte en una ilusión: tú y la estación en realidad estáis quietos, es el resto del universo el que está girando. Pero como no puedes ver ese universo, ni siquiera te das cuenta.

Esto es como la ilusión que tenemos en la Tierra todos los días. No me siento girando sobre un eje a 1600 km/h. Veo la luna y las estrellas girando a mi alrededor si miro hacia arriba y espero lo suficiente. Sin embargo, no me siento girando. me siento quieto El suelo se siente quieto. Los caminos, los edificios y las montañas me parecen quietos e inamovibles. Tampoco me siento girando alrededor del Sol. Ni siento la rotación de nuestro brazo espiral alrededor del centro de nuestra Galaxia, ni siento el movimiento de nuestro cúmulo de galaxias en relación con otros. es relativo

Entonces, en mi humilde opinión, la opción realista es la número 2.

Las otras opciones introducirán una masa desequilibrada en la estación y provocarán oscilaciones, lo cual es un problema mucho mayor. En cuanto a la parte estacionaria de la estación, eso implica algún tipo de sistema de anillo deslizante hermético súper complicado para acoplar la parte estacionaria a la parte principal, nuevamente más problemas.

Y el combustible requerido para rotar es muy pequeño. Recuerda esencialmente que no hay fricción en el espacio. ¿Qué sucede si la nave se quedó sin combustible o los propulsores no funcionan? Luego, la gente puede salir y hacer una caminata espacial o la estación puede enviar una cápsula de rescate, como un pequeño remolcador, que puede unirse a la nave y obligarla a girar.

Una vez que esté girando, no se necesitará casi ninguna propulsión adicional, seguirá girando por sí mismo. Al igual que los planetas giran, aunque no tengan cohetes atados a ellos.

Ahora... me doy cuenta de que hay una gran pregunta aquí. ¿Cómo pueden las personas sentir 1 g en la estación espacial si está girando, pero no sienten nada en el centro? ¿Cuál es el punto de toda la rotación si nadie puede sentir nada de ella?

Eso va al factor crucial sobre la gravedad artificial, que tal vez podamos llamar alternativamente aceleración gravitacional artificial simulada a través del movimiento centrípeto. La gravedad artificial aquí depende, por completo, de la distancia a la que uno se encuentra del centro del objeto que gira. Al igual que en un tiovivo, o en un paseo en una feria, o incluso como un patinador sobre hielo: cuando sus manos están pegadas a su cuerpo, no hay mucha sensación en ellas, pero cuando deja que se ramifiquen mientras camina. abre los brazos en una pose amplia, puede sentir que sus manos se vuelven "más pesadas". En otras palabras, en el centro de la rotación, la gravedad artificial es esencialmente cero. Solo en el borde de la nave hay alguna sensación de gravedad artificial, y eso es solo porque tu cuerpo se acelera al estar en contacto con la nave. mientras te diriges hacia el ring. Definitivamente sentirás el peso sobre ti mientras viajas a través de los Jeffries Tubes o lo que sea, desde el muelle de atraque central hasta el anillo exterior donde vive todo el mundo. Pero eso no significa que habrá gravedad artificial en el centro de la estación.

Por supuesto, hasta que alguien realmente lo construya... ¡No diría que estoy 100% seguro! Pero gracias por leer si lograste superar todo esto.