¿Despegue y aterrizaje no orbital?

TL; DR: es ineficiente. Deberías jugar algún Kerbal Space Program y ver por ti mismo los efectos de viajar de esta manera.

Asumiendo, por supuesto, que realmente no querías entrar en la órbita, pero querías, por ejemplo, ir a la Luna o explorar el espacio profundo. Especialmente en conjunción con la nota de Wikipedia sobre no tener que alcanzar la velocidad de escape para salir bien de la gravedad.

"Escapar", en el sentido de lo que harás si viajas a la velocidad de escape (y fuera de la atmósfera), significa abandonar la esfera de influencia gravitacional (SOI) de un cuerpo. Obviamente, la gravedad tiene efectivamente un rango infinito, pero cuando viajas lo suficientemente lejos de la Tierra, llegarás a un punto donde la influencia gravitatoria del Sol supera con creces a la de la Tierra. Habrás escapado de la Tierra y entrado en una órbita heliocéntrica.

Por lo tanto, el requisito para escapar es la distancia , no la velocidad . Si viajaba a la velocidad de escape (y estaba fuera de la atmósfera), la influencia de la gravedad del cuerpo será insuficiente para frenarlo hasta detenerse relativamente y empujarlo hacia abajo, así que esa es una forma de hacerlo.

Si puedes imaginar un par de mundos muy separados, unidos por una escalera . Si subes lo suficiente por esa escalera, eventualmente llegarás a un punto en el espacio donde la atracción gravitatoria del mundo en el que comenzaste ha sido superada por la atracción gravitacional del mundo hacia el que estás subiendo. Habrás "escapado" independientemente de lo rápido que puedas arrastrarte.

(Tenga en cuenta que si viaja a la Luna, no necesita estar en una trayectoria de escape, porque la Luna todavía está en el pozo de gravedad de la Tierra también. Eso significa que irá a una velocidad inferior a la de escape, que le ahorrará un poco de combustible)

Entonces, ¿qué es lo que le impide continuar con el modo "llegar al espacio es fácil" de "ir rápido y luego subir", en lugar de intentar entrar en órbita?

Lo que hace que "apuntar y disparar" sea una mala forma de escapar de un planeta es la eficiencia. Tu cohete estará sujeto continuamente a la resistencia de la gravedad ... en cada punto de tu escape, deberás hacer funcionar los motores lo suficientemente fuerte como para contrarrestar la gravedad planetaria a esa altitud, y un poco más para alejarte del planeta. Cuanto más tardes en llegar al borde de la esfera de influencia del planeta, más tiempo tendrás que oponerte a la gravedad y más combustible desperdiciarás al hacerlo.

Si tienes un cohete realmente poderoso para que puedas viajar rápidamente al borde de la SOI, genial... pero podrías haber apuntado fácilmente perpendicular al campo gravitacional del planeta y hacer funcionar tu cohete entonces, de modo que la aceleración total de su cohete aumenta su velocidad en lugar de que una carga vaya a la gravedad opuesta. Por supuesto, no harías esto en una atmósfera, porque entonces pasarías mucho más tiempo luchando contra la resistencia atmosférica. Entonces, disparas más o menos hacia arriba para despejar la atmósfera, y luego impulsas más o menos hacia los lados para acumular mucha velocidad para alcanzar el borde de la SOI lo más rápido posible.

... y de repente, te habrás encontrado emulando un perfil de lanzamiento de cohete bastante convencional, aunque en una "inyección directa" en lugar de la opción más convencional "ingresar a la órbita terrestre y luego transferir a cualquier lugar" (las inyecciones directas son un poco más eficiente , pero no lo suficiente como para compensar sus inconvenientes).

(También hay algo llamado efecto Oberth que significa que usar su cohete en lo profundo de un pozo de gravedad lo más cerca posible de su periápside es más eficiente que usarlo mucho más lejos en una órbita, pero un problema a la vez).

Lo mismo sobre los aterrizajes. Ir a un cuerpo celeste, entrar en órbita y luego tener que deshacerse de toda esa velocidad orbital. Si estuviera viajando lo suficientemente lento como es, y desacelerando lentamente todo el camino, contrarrestando la gravedad

Obviamente, si viaja muy despacio en relación con su destino, le llevará mucho, mucho tiempo llegar allí.

Aparte de eso, el problema es una vez más la eficiencia. El término probablemente muy poco técnico Suicide Burn se usa para describir una trayectoria de aterrizaje en la que toda su desaceleración se realiza lo más tarde posible, para minimizar la cantidad de combustible desperdiciado.

ETA : como observó Neph, una trayectoria de descenso directo es, por supuesto, un poco más eficiente que inyectarse en una órbita y luego salir de la órbita, pero presenta problemas de tiempo si desea aterrizar en algún lugar en particular y, de hecho, problemas de seguridad, ya que hace que el rescate de regreso a órbita algo más dura.

Su pregunta es, según tengo entendido, señalar que hay dos formas de llegar desde la superficie de la Tierra a la superficie de la Luna.

Forma uno: quema hacia arriba hasta atravesar la parte más espesa de la atmósfera para evitar la resistencia aerodinámica. Grabar lateralmente para alcanzar la velocidad orbital y elevar el apogeo y el perigeo en el espacio. Desde la órbita terrestre, quema progrado para alcanzar la trayectoria translunar. En perilunio, arde retrógrado para alcanzar la órbita lunar. Grabar retrógrado aún más a la órbita inferior para intersectar la superficie, y luego quemar la superficie retrógrada de modo que obtengamos un aterrizaje suave.

Forma dos: calcule cuánto tiempo tomará el viaje de la Tierra a la Luna si hace funcionar los motores continuamente. Apunte el cohete hacia donde estará la Luna entonces. Acelere constantemente en esa dirección hasta aproximadamente la mitad del camino; gire 180 grados en el punto medio y acelere constantemente en la otra dirección, de modo que alcance la velocidad cero al llegar a la superficie de la Luna.

El segundo método se llama trayectoria de braquistocrona y es la forma más rápida de ir del punto A al punto B. Sin embargo, como suele ser el caso con la forma más rápida, no es del todo eficiente en combustible. Solo tiene sentido si tiene una nave espacial extremadamente liviana que quema combustible de manera muy lenta y eficiente. La nave espacial Dawn, por ejemplo, sería candidata para este tipo de trayectoria (aunque, como señala un comentarista, ¡no tiene suficiente empuje para despegar!), pero no tenemos una buena razón para querer obtener del punto A al punto B lo más rápido posible .

Más bien, queremos ir del punto A al punto B con una combinación razonable de costo y tiempo; la trayectoria de braquistocrona es extraordinariamente costosa porque es muy ineficiente en combustible, por lo que no es un buen equilibrio entre costo y tiempo. El plan convencional de "despegar, circularizar, transferir, circularizar, aterrizar" toma más tiempo pero es mucho más eficiente en combustible y, por lo tanto, más barato.

Para llegar a la luna específicamente, hay un problema adicional, además de lo que ya se ha mencionado: presumiblemente, su objetivo cuando llegue a la luna es orbitarla o hacer un buen aterrizaje suave en ella (si su objetivo es girar usted mismo en una nube de metralla esparcida sobre una gran área de regolito, siéntase libre de acercarse). Es decir: necesitas quedarte estacionario en relación con la luna. Dado que la luna está en órbita alrededor de la tierra, eso significa que eventualmente debes entrar en órbita alrededor de la tierra, te guste o no.

Para ir al espacio profundo, puede adoptar su enfoque, siempre que no le importe la eficiencia horrible (y técnicas como esta pueden funcionar para lanzar cosas que son mucho más pequeñas que la Tierra, donde las pérdidas de eficiencia son mucho menores), pero si estás tratando de encontrarte con algo que está en una órbita alrededor de lo que estás lanzando, absolutamente tienes que ponerte en órbita alrededor de lo que estás lanzando eventualmente.

Ir a un cuerpo celeste, entrar en órbita y luego tener que deshacerse de toda esa velocidad orbital. Si estuviera viajando lo suficientemente lento como es, y desacelerando lentamente todo el camino, contrarrestando la gravedad, probablemente le llevaría mucho tiempo, pero seguramente debe haber otra razón por la que no se puede hacer, de lo contrario ¿por qué no lo haríamos? hazlo.

Dado que otros (especialmente Starfish Prime ) ya han respondido con los principios del movimiento orbital, ahora abordaré esto desde un ángulo práctico.

Tengo la versión para PC de Kerbal Space Program y me encanta jugar con ella. Es un juego de simulación de programas espaciales que te permite ver las implicaciones prácticas de los diferentes enfoques de los viajes espaciales.

Lo que sugieres que es posible, lo he hecho muchas veces en el juego. Es solo que el enfoque de estacionar en una órbita y luego salir de la órbita es más barato en algunos órdenes de magnitud.

A medida que despegas hacia el espacio, tu trayectoria, la forma de tu órbita, se define por la gravedad de lo que sea que estés despegando y tu velocidad en ese momento. Ya sabes que para orbitar la Tierra tu trayectoria tiene que ser circular y eso requiere mucha velocidad horizontal.

Es posible que desee ir a la Luna sin tener que circular primero en una órbita alrededor de la Tierra y sin tener que hacer un estacionamiento orbital en la Luna. Para hacer eso, simplemente apunte el cohete hacia arriba en el momento correcto y listo. Eso también funciona.

Entremos en los conceptos básicos del movimiento orbital: cuando aceleras en la dirección en la que vas (progrado), la forma de tu órbita se estira para que el punto más distante se eleve. También tenga en cuenta que cuando su órbita es así elíptica, cuanto más alto vaya, más lenta será su velocidad relativa a lo que sea que esté orbitando.

Para llegar a la Luna haciendo una transferencia Hoffman, tienes que llegar a la órbita terrestre baja (LEO), y luego estacionarte a 7,8 km/s. Luego aceleras a 10,4 km/s en un punto preciso, y eso te llevará a una trayectoria elíptica que se cruza con la propia órbita de la Luna, de modo que tú y la Luna se encuentren al mismo tiempo y puedas aterrizar. Su velocidad seguirá siendo de 10,4 km/s en relación con la Tierra en el punto en el que aceleró, pero se reducirá a alrededor de 1 km/s en el extremo más lejano de su órbita (sin considerar la aceleración de la Luna).

Cuando te acerques a la Luna, tu velocidad relativa a la Luna misma será menor; a 60 000 km de ella, tu velocidad relativa debería estar cerca de 1,1 km/s. Serás acelerado por la Luna hacia ella, y luego tendrás que perder esa velocidad. El Apolo 11 llegó a 118 km de la superficie de la Luna a 1,8 km/s (debido a la aceleración de la gravedad de la Luna), luego desaceleró a 1,6 km/s para estacionar en su órbita. El módulo de aterrizaje tuvo que perder esa velocidad para aterrizar.

Por el contrario, si desea tomar una trayectoria lo más directa posible a la Luna, puede hacer lo que hizo New Horizons. Una vez que haya pasado la atmósfera, alcance los 16,2 km/s. Llegarás a la Luna en menos de nueve horas (en comparación con los ~3 días que tardó Apolo). También tendrás mucha más velocidad; en este caso, tu apogeo está MUCHO más allá de la Luna, lo que significa que perderás muy poca velocidad en el camino. Prácticamente llegarás a la Luna con esa misma velocidad, así que ahora tienes ~16 km/s para perder.

En general, está cambiando la velocidad ~ 3 veces más al seguir un camino menos circular. Sin embargo, eso no significa que sus gastos simplemente se multipliquen por 3. Citando a Randall Munroe:

Es lo que los ingenieros llaman la tiranía de la ecuación del cohete : a medida que aumenta la cantidad que desea cambiar su velocidad ("delta-v"), el combustible requerido aumenta exponencialmente.

No tengo las matemáticas en mí, pero según mi experiencia en KSP, es posible que necesite un Energia para aterrizar una sonda muy pequeña en la Luna si intentara lograr esto en la vida real. Desafortunadamente, las Energias son prohibitivamente caras y están descontinuadas.

¿Qué es lo que te impide... ir rápido y luego dirigirte...

¿No es el ambiente?

Subir primero y luego acelerar hace posible el vuelo espacial. Ningún cohete podría acelerar a mach-20+ a 1 atmósfera y luego sostenerlo hasta el espacio.

La respuesta es totalmente pérdida de gravedad. Cuando un cohete se quema hacia arriba, constantemente incurre en pérdidas de gravedad equivalentes a la aceleración gravitatoria local (9,8 m/s en la superficie de la Tierra). Un cohete que está ardiendo directamente en la superficie de la Tierra a 9,8 m/s está contrarrestando exactamente la fuerza gravitacional y flotando sin ir a ninguna parte. Toda la salida del cohete va a la pérdida de gravedad. Los cohetes que se queman horizontalmente no incurren en pérdida de gravedad, no están "tratando" de flotar en absoluto.

Esta es una forma de ver por qué una órbita de transferencia de Hohmann es más eficiente, porque el cohete se quema horizontalmente tanto para la inyección como para la captura.

Para una unidad de antorcha, la eficiencia es inútil y desea llegar rápido, así que simplemente apunte a su objetivo en marcha, queme a 1 g, luego voltee y desacelere. Pero como no vivimos en The Expanse, nos preocupamos por llegar a lugares como la Luna con la menor cantidad de combustible posible.

Y la forma más eficiente para que un cohete se lance a la Luna sería quemarse aproximadamente horizontalmente a la superficie. Los cohetes se queman hacia arriba para lanzarse porque la superficie de la Tierra se interpone en el camino, las pérdidas por arrastre debidas a la atmósfera y las velocidades orbitales necesarias para alcanzar la Luna quemarían el cohete al nivel del mar. Pero si quitaras la superficie de la Tierra y la atmósfera (preocupaciones menores), los cohetes se lanzarían horizontalmente y harían algo parecido a una transferencia de Hohmann.

Entonces, los cohetes se queman solo lo suficiente como para alejarlos de la Tierra y la atmósfera, luego todos se desploman para que puedan arder tan horizontales como puedan.

Hay una pequeña complicación en la que algo así como una trayectoria de ascenso directo no pasará tanto tiempo horizontal como usar una órbita de estacionamiento, pero lo compensa arrojando más combustible más abajo en el pozo de gravedad y aprovechando el efecto Oberth, pero las pérdidas por gravedad son la principal preocupación. Una trayectoria de "ascenso directo" sigue siendo muy horizontal y no "apunta a la luna y se va" como lo haría si tuviera un impulsor de antorcha, y ahorra poco sobre una órbita de estacionamiento, mientras que la órbita de estacionamiento le permite evaluar si usted logró salir de la Tierra de manera segura y tomar una decisión de no continuar antes de comprometerse con la inyección translunar.