¿Cuál es la forma óptima para una nave espacial?

Las esferas son las mejores, pero los cilindros son los más fáciles de fabricar.

Para el volumen más interno en comparación con el área de la superficie y, por lo tanto, la masa más pequeña posible, una esfera es la forma ideal para una nave espacial. El módulo orbital de la nave espacial Soyuz es aproximadamente una esfera:

La mayoría de las técnicas de construcción en uso se basan en placas de metal . Por lo tanto, las naves espaciales con forma de cubo o cilindro (una placa doblada) son fáciles de fabricar. Sin embargo, los bordes afilados son menos óptimos que la esfera para soportar la presión interna.

Para largas estancias en el espacio, es beneficioso tener algún tipo de gravedad artificial inducida por rotación. Cilindros y toros son entonces buenas opciones. También son bastante fáciles de inflar. (esa es una restricción de lanzamiento, pero importante)

Una nave espacial con gravedad artificial no necesariamente tiene que tener una forma curva, dos naves espaciales, o una nave espacial y un contrapeso con una correa en el medio pueden hacer básicamente lo mismo.

Para algunos tipos de propulsión, principalmente la energía nuclear, las velas solares o la energía solar, se necesitan grandes áreas de radiadores, velas o células solares. Eso determina bastante su forma. (enorme pero plano, con un segmento de viga largo en el medio)

Las diferentes partes de una nave espacial tienen diferentes requisitos, por lo tanto, puede usar diferentes formas para ellas en lugar de una compensación todo en uno. Una vez más, la Soyuz es un excelente ejemplo de geometría, utilizando una esfera para el módulo orbital, una forma de cuerpo aerodinámicamente roma para la cápsula de retorno y un cilindro para el módulo del equipo.

Módulos de aterrizaje

Una de las principales prioridades de un módulo de aterrizaje es tener una base grande para evitar que se vuelque al aterrizar en la superficie. A pesar de los estudios iniciales de sondas no tripuladas en órbita, por ejemplo, de la Luna, nunca se puede estar totalmente seguro de la utilidad de un lugar de aterrizaje en particular. El Apolo 11, por ejemplo, cambió el sitio de aterrizaje objetivo en vuelo. Por lo tanto, los módulos de aterrizaje suelen ser muy anchos, por lo que no se caen. La etapa de descenso tiene a menudo la forma de un prisma poligonal, con una simetría que depende del número de patas de aterrizaje. (tres para una configuración mínima, cuatro para un poco más de estabilidad, o cinco o más para redundancia y estabilidad extra).

La etapa de descenso del módulo lunar Apolo tenía una forma octogonal, correspondiente a su simetría cuádruple:

Una rosquilla o cilindro lo suficientemente grande permitiría la gravedad artificial a través de la rotación. El diámetro tendría que ser varios cientos de m por lo menos.

tecnologías actuales de fabricación y diseño

sin restricciones en el levantamiento de materiales/componentes al espacio

Debo dejar en claro que no estoy interesado en una nave espacial que tenga que acercarse a ninguna atmósfera, por lo que no es necesario tener en cuenta la aerodinámica".

Asumiendo estos parámetros, elevar algo a la órbita terrestre baja requiere que este algo resista estructuralmente aproximadamente 2-3 g durante el lanzamiento. Por lo tanto, no hay lógica detrás de la construcción de una nave espacial robusta en tierra, capaz de sobrevivir al lanzamiento y luego llevar el peso estructural muerto por el resto de su vida útil.

En su lugar, lance la materia prima y un gran edificio o fábrica de impresión en LEO primero, luego produzca la nave espacial allí y construya la más liviana (o la mejor relación de combustible / masa estructural) que pueda ser a lo largo de las limitaciones o aceleraciones que enfrentará.

Dado que no hay restricciones de peso de lanzamiento desde la Tierra, una de las mejores misiones para lograr podría ser enviar humanos hacia un sistema estelar vecino, utilizando el sistema de propulsión del proyecto Orion , en una nave espacial muy, muy grande, sintonizada con una aceleración constante de 1 g a lo largo del vector de empuje. Por lo tanto, esta nave espacial se construirá en LEO para que no pueda soportar más de 1 g (+ margen de seguridad).

La mejor forma para la relación máxima de volumen/superficie es la esfera (como se mencionó en la respuesta anterior), por lo que la forma de esta cosa masiva podría ser un esferoide alargado alineado a lo largo de una aceleración de 1 g, o una nave espacial de colonia humana con forma de huevo.

No hay solo uno, o el óptimo depende en gran medida del contexto.

Las naves espaciales no tripuladas no atmosféricas tienen un espacio de diseño bastante ilimitado. Las naves espaciales tripuladas están un poco más restringidas debido a la necesidad de un recipiente a presión, pero solo moderadamente, ya que el recipiente a presión solo forma parte de la nave espacial.

Mientras tanto, dado que la mayoría de los cohetes tienen carenados con un volumen interno razonable, la forma de la nave espacial ya no está terriblemente restringida por ellos (aunque muy a menudo doblan los paneles solares y similares para que quepan dentro).

Básicamente, parece que la forma óptima para muchas naves espaciales son los componentes de la nave espacial, dispuestos en alguna disposición basada en las necesidades individuales de cada componente, unidos con puntales o contenidos en cajas.

Puede depender del sistema de propulsión.

Los barcos de giro-gravedad se han discutido anteriormente, así que quiero centrarme en un diseño de barco que casi nunca he visto en ciencia ficción. La de un cono, extremo romo primero.

Este diseño funciona mejor para misiones interplanetarias tripuladas donde el motor está diseñado para funcionar la mayor parte del tiempo para proporcionar algo de gravedad, quizás con una fase de costa corta en el medio. La mayoría de los programas de ciencia ficción crean barcos largos y delgados con el motor en la parte trasera, pero cuando se acelera, es como vivir en un rascacielos alto y delgado con el motor en la parte inferior. La tripulación estará constantemente subiendo y bajando.

Un diseño mucho mejor y más perezoso es extender el barco lo más ancho posible, de modo que todo se coloque en un nivel de piso similar. La tripulación evita tener que subir constantemente escaleras y escaleras, y no necesita equipar ni mantener ascensores.

Tener el motor inmediatamente detrás de una forma de disco ancha es inestable, por lo que es deseable colocar el motor lo más atrás posible. Me imagino una forma de cono invertida con la sección presurizada en la parte superior más ancha, y el combustible y los suministros debajo, estrechándose hasta la punta del cono, donde está el motor. Esto permite que un motor con cardán cambie y estabilice de manera más efectiva la actitud del barco.

Creo que las naves espaciales en un futuro lejano serán análogas a la biología. Se reunirán y reorganizarán constantemente para reparar los daños causados ​​por la radiación y la descomposición y para adaptarse a entornos o deseos cambiantes. O simplemente porque una estructura obtenida revela que otra estructura es más atractiva de lograr en una forma evolutiva de descubrimiento.

La vida en la "nave espacial Tierra" ha hecho esto espontáneamente. Las lógicas fundamentales de la física, la geometría y la economía establecen algunas restricciones, pero las formas de vida aún varían desde diminutas bacterias arcaicas hasta enormes reptiles y mamíferos, pasando por colonias de hormigas y abejas distribuidas como unidad genética. La sabiduría de esta evolución de mil millones de años parece difícil de superar. La falta de gravedad y la falta de interacción con la atmósfera/hidrosfera elimina importantes restricciones para la forma.

Las correas pueden ser muy útiles. La microbiología parece estar llena de "pelos" microscópicos que guían los transportes y la comunicación. En microgravedad, las correas son útiles para simular la gravedad por rotación, y tal vez para lanzar o capturar naves espaciales más pequeñas.