Diseño de cápsulas de descenso para humanos

Con la creciente cantidad de ciencia ficción que usa cápsulas de desembarco para llevar a sus soldados al suelo, me gustaría ver el diseño y cómo debería verse una cápsula de desembarco adecuada.

El aspecto y la forma de una cápsula de desembarco de este tipo dependerían de la tecnología disponible, su función y carga. Una cápsula de desembarco que transporta grandes equipos de construcción sería diferente de una que transporta a una sola persona, y el uso para lanzamientos de primera línea o para caer en líneas amigas también tendrá que ser diferente entre sí. Entonces, para el propósito de esta pregunta:

  • El combustible disponible en este universo de ciencia ficción tiene una densidad de energía 10 veces superior a la del combustible para cohetes actual. Esto para emular la mayoría de la ciencia ficción donde el combustible suele ser una preocupación menor. De lo contrario, se aplica la física normal.
  • Las cápsulas de desembarco deben ser lo suficientemente económicas como para dejarlas en un campo de batalla. Si son reutilizables, eso es una ventaja. Esto significa un uso limitado de materiales y construcción raros, pero se supone que la construcción se ha vuelto mucho más barata para empezar.
  • La cápsula de desembarco debe ser más efectiva que una lancha de desembarco para entrar en combate.
  • La cápsula de lanzamiento se usa para lanzamientos de combate cerca de las posiciones enemigas. La clave es alta velocidad y el menor tiempo posible de preparación en el suelo antes de que la infantería esté lista para atacar.
  • En caso de aterrizaje erróneo (es decir, la cápsula de desembarco aterriza en una pendiente y se cae), el ocupante aún debe estar vivo y poder salir. La pendiente máxima para aterrizar se establecerá en un ángulo de 45 grados.
  • Es un drop-pod de un solo asiento.
  • El ocupante lleva puesto un traje presurizado contra fuerzas G.
  • Las fuerzas G no pueden exceder los 9 G, que es lo que los pilotos de la fuerza aérea pueden soportar sin una pérdida prolongada del conocimiento. Si las fuerzas G son hacia abajo en relación con el cuerpo (la sangre sale del cerebro), entonces 3 G es el máximo.
  • Las cápsulas de desembarco se utilizan tanto en la atmósfera como en planetas sin atmósfera.
  • Las cápsulas de descenso necesitan capacidades de dirección limitadas.

Pregunta:

¿Cómo se diseñaría un drop-pod basado en las restricciones anteriores? Las cosas que quiero saber son:

  • Espacio del ocupante. Orientación de su silla (u otra disposición), amortiguación, bolsas de aire (?), tipo de restricciones (fáciles de quitar, pero no se sueltan al aterrizar), la ubicación del equipo adicional que pueda necesitar el ocupante.
  • Forma de la capa exterior. ¿Cuál es el equilibrio de forma más eficiente entre atravesar la atmósfera (o no atmósfera) y aterrizar en una superficie? ¿Tiene puntales de aterrizaje, tiene partes diseñadas para romperse o desgastarse?
  • Visuales y dirección. Un monitor y un equipo de dirección pueden parecer sencillos, pero cuando los 9 G lo están jalando, también estarán jalando su equipo de dirección.

Editar: Para ver los posibles métodos para reducir la velocidad, mira aquí: Cápsulas de lanzamiento orbital: ¿Útiles? . Sin embargo, esta pregunta se refiere a todo el diseño, no solo a los métodos para reducir la velocidad.

Como esto es para usar en condiciones sin atmósfera (entre otros usos), cualquier cosa de un solo sentido (también conocida como cápsula de caída) será más barata que la alternativa normal (?), Porque sin atmósfera, los frenos/toboganes/alas atmosféricos baratos están fuera. Así que realmente no entiendo tu segundo punto. ¿Podría ampliar lo que ve como un problema a superar, o lo que valora en una respuesta? La 'cápsula de reentrada barata con cohetes retro, que no superan los 9 g' es un hecho, pero ¿qué más quieres saber?
En realidad, las cápsulas de reentrada actuales son tan pequeñas y baratas que nosotros (la humanidad) podemos fabricarlas. Excepto por los primeros tres puntos, usted describe formas normales de regresar de la órbita, por lo que ser más barato que lo normal no es realmente posible; la forma más barata se convertirá en la norma. La única forma de evitarlo sería permitir que G o una tasa de falla lo suficientemente alta como para matar a un % de tus tropas.
@bukwyrm Una nave de aterrizaje puede despegar y aterrizar en cualquier lugar después de la reentrada, una cápsula de desembarco aterriza y, si alguna vez se vuelve a usar, debe ser recolectada y transportada por otra persona de regreso a la órbita. Se agregaron algunos criterios en los que quiero centrarme en la pregunta.
@Molot hay una variedad de módulos de reingreso con varias tecnologías y formas en ese enlace. En cuanto a los gastos contra lanchas de desembarco, ahora me doy cuenta de que tienen una función diferente y que mi objetivo era evitar cápsulas de desembarco extremadamente costosas. Editaré la pregunta.
Todas y cada una de estas cápsulas fueron, en su momento, las más baratas y livianas que sus creadores pudieron conseguir con la tecnología y economía que tenían, para la cantidad de personas que necesitaban aterrizar. Si quieres tener unos más modernos, puedes usar el conocimiento de cómo lo hacía la gente en el pasado, cuando tenían objetivos de diseño muy similares a los tuyos. Me gusta tu edición, hace que las respuestas sean más posibles.
@Demigan Entonces, en realidad hay una película que muestra cápsulas de lanzamiento de manera muy razonable y exitosa. Esa película es la película de anime Genocidal Organ. Tiene las cápsulas de lanzamiento que tienen un sistema de control de drones limitado, lo que permite el despliegue automático de las alas del planeador a una cierta altitud para permitir que las cápsulas se dirijan a un punto de aterrizaje específico. Esto también permite que las cápsulas caigan en grupos, lo que permite que las tropas se desplieguen en las inmediaciones de las fuerzas amigas. Hay un paracaídas para liberación rápida en altitudes bajas, así como puntales de aterrizaje. ¿Quieres un enlace a la escena de la película? (advertencia: es sangriento)
@jeremyBarret seguro, si me puede ayudar (oa alguien más) a diseñar un buen drop-pod, le echaré un vistazo.
@Demigan Aquí tienes entonces. youtube.com/watch?v=Ra0YU6HT6mA
@JeremyBarrett Esas cápsulas están hechas para caídas no orbitales en la atmósfera, y están imposiblemente sobrecargadas con dispositivos (¿escopetas Y gatlings Y heli-drones?) OP está pidiendo barato y orbital (al menos eso es lo que estoy leyendo en el requisito de ausencia de atmósfera?)
Sí, tienen ametralladoras unidas a los puntales estabilizadores para aterrizar. Literalmente comienzan a disparar a una altitud establecida si la centinela detecta enemigos sin IFF (Identificar amigo enemigo). También lo hacen cuando aterrizan, proporcionando fuego de supresión para las tropas que salen de las cápsulas. Las cápsulas utilizan tejido graso y músculo desarrollado en tanques para mantener al ocupante en su lugar de forma segura hasta que aterrice. Proporciona una capa de amortiguación para ayudar al paracaídas y reducir la necesidad de romperlo. Esto también ayuda con las fuerzas G, ya que básicamente estás bloqueado en una posición boca abajo. Los helicópteros no tripulados están solo en dos de las cápsulas.
Dichos pods son útiles principalmente para lanzamientos suborbitales. Pero se puede rediseñar para su uso en atmósfera baja o nula. Esto requiere principalmente cortar el paracaídas ahora en gran parte inútil y, en su lugar, agregar otros medios para crear resistencia (como propulsores vernier de potencia relativamente baja disparados en ráfagas cortas para controlar la velocidad de aterrizaje) y reducir los efectos del impacto (más amortiguación, mejor soporte de impacto)
"Con la creciente cantidad de ciencia ficción que usa cápsulas de desembarco para llevar a sus soldados al suelo..." < ¿Le importaría obtener esa afirmación? Personalmente, no he experimentado ningún aumento en SciFi usando drop-pods durante la(s) década(s) que he estado consumiendo libros, cómics, películas y series de ciencia ficción.
El problema con las cápsulas de lanzamiento es exactamente el mismo que con el uso de paracaidistas. Tienen una fecha de caducidad muy limitada una vez en el suelo. Sin ser reequipados y reabastecidos, rápidamente se convierten en presas en lugar de depredadores. Todavía existiría la necesidad de transbordadores de transporte de tropas más grandes para brindar apoyo y suministro.

Respuestas (3)

Como una pregunta de física pura, es poco probable que lo haga mucho mejor que lo que han propuesto varios programas espaciales. El módulo de comando Apollo, el módulo de descenso Soyuz y el nuevo módulo de tripulación Orion tienen la misma forma y configuración básicas, y por una buena razón. Como referencia, este es el Apollo CM:

ingrese la descripción de la imagen aquí

La forma básica está impulsada esencialmente por la física. La forma de gominola (o la forma de campana más ancha de la Soyuz) se mantendrá orientada naturalmente durante el reingreso y le permite limitar el escudo térmico solo a la parte inferior de la nave. Poner el escudo térmico, el equipo pesado y el lastre (si es necesario) a lo largo del fondo también lo mantiene boca arriba cuando aterriza. La superficie superior no se ve afectada por el calentamiento de reentrada, por lo que la escotilla va allí, junto con cualquier equipo especializado delicado que desee (como un lanzagranadas para esas molestas fuerzas enemigas). Todo lo que se encuentre en la superficie inferior, como los puntales de apoyo, a) se derretirá yb) se aplastará contra el suelo, por lo que debe evitarse.

Los asientos, que podéis ver más claramente en la imagen a tamaño completo del enlace de arriba, están orientados para que los pilotos vuelvan a entrar más o menos boca arriba, lo que es más tolerable en términos de fuerzas G. También significa que la escotilla está convenientemente justo frente a ellos cuando aterrizan. Los asientos no están unidos directamente al casco, sino que están sostenidos por un sistema de absorción de impactos. Las restricciones no parecen haber sido nada fuera de lo común; un arnés de choque típico manejará cualquier tipo de fuerza G a la que desee someter a su pasajero.

En el Apolo, los espacios de carga estaban debajo de los asientos y en las paredes superiores de la nave; las misiones lunares llevaron allí todo tipo de consumibles y equipos de soporte vital, pero, por supuesto, no tendrá que hacerlo porque usará su cápsula por cuestión de minutos en lugar de días.

Dado que sus cápsulas de lanzamiento tienen la intención de caer sobre objetivos sin atmósfera, necesitarán retropropulsores. El Apolo en realidad tiene propulsores RCS, diez de ellos, dispuestos alrededor del borde, justo encima del escudo térmico. El suyo deberá ser un poco más grande y más potente, pero lo ha proporcionado en su pregunta, por lo que todo está bien allí. Es poco probable que el escape del propulsor le haga ningún favor a nadie en tierra; apunta bien lejos de las tropas amigas.

En ese sentido, el control de puntería lo proporcionan los mismos propulsores. El control probablemente esté computarizado, con copias de seguridad manuales. La orientación es un poco complicada, porque no puede recibir señales de radio desde el suelo, el llamado apagón de reentrada . Sin embargo, es posible que pueda transmitir y recibir a través de su estela, lo que permitiría que la nave de lanzamiento lo guíe. De lo contrario, es probable que tenga que confiar en la guía inercial que, por decirlo suavemente, no es tan buena. (La mayoría de los acelerómetros no están diseñados para resistir ese tipo de fuerzas, y mucho menos para medirlas con precisión). La guía visual será dudosa en el mejor de los casos una vez que esté en la atmósfera.

El costo va a ser un poco un punto conflictivo. Como mínimo, se gasta combustible, aunque no más de lo que usaría en una lancha de desembarco convencional en una superficie sin aire. El escudo térmico, suponiendo que aterrice en la atmósfera, probablemente sea ablativo y, por lo tanto, deberá reemplazarse. Los demás componentes son, en teoría, reutilizables; No me atraparían muerto cayendo a tierra en un casco de presión reutilizado, pero las computadoras y los motores de los cohetes probablemente se puedan restaurar.

Por otro lado, los militares hacen cosas fantásticamente costosas todo el tiempo. El AIM-9 Sidewinder, quizás el misil antiaéreo más popular del mundo, famoso por ser relativamente barato y fabricarse en masa, costó $600 000 cada uno en 2015. Las cápsulas de lanzamiento no deben usarse a la ligera, pero eso no es lo mismo que nunca utilizado en absoluto.

Vale la pena señalar que tomó alrededor de 15 minutos desde el reingreso inicial hasta el aterrizaje, con una G máxima de alrededor de seis. Eso no parece mucho, pero en una batalla moderna eso es una eternidad. A modo de comparación, se puede esperar que un tanque de batalla recorra entre diez y quince kilómetros. Un avión de combate puede hacer de 800 a 900 kilómetros a toda velocidad (insostenible), o de Nueva York a Chicago.
@JustinThyme Ese es un buen punto: me pregunto cuánto de esa duración podría reducirse con un descenso más rápido y un aterrizaje propulsado por cohetes más violento. 6 Gs no es tanto, por lo que hay margen de mejora, pero no mucho.
Ir más rápido que la caída libre, como sugeriste, requiere empuje para aumentar tu velocidad de descenso, no para disminuirla. O eso, o entras a gran velocidad, como un meteorito. El problema más pertinente, planteo, sería entonces el calor. Y eventualmente esa velocidad como para ser invertida. Cuando aterrices, tu velocidad SERÁ cero. Recuerda que cuando cae un meteorito, no necesitas defensas perimetrales, el perímetro no existe.
Tampoco creo que el aspecto de la reutilización sea tan grande. arrojar cosas a una zona de guerra desde el espacio y luego transportar esas mismas cosas para restaurarlas no suena como algo que a los militares les guste. --- Los módulos de comando que muestra como ejemplos son demasiado grandes para lo que OP tiene en mente. Las cápsulas de descenso de un solo ocupante no necesitarían casi nada de lo que se muestra en las anotaciones de los módulos: sin gestión del agua, sin escotillas... Por lo tanto, se puede recortar una gran cantidad de espacio y masa.
@bukwyrm Los detalles principales que quería mostrar con el diagrama eran la forma general y dónde/cómo se montan los asientos. Tienes razón en que el soporte vital no es necesario, aunque el almacenamiento (para armas, etc.) es una ventaja. En cuanto a la reutilización, el OP preguntó al respecto en la pregunta, así que traté de abordarlo.

Propulsores modulares con dirección de vector de empuje, dimensionados para que uno a tres de ellos sean suficientes para la cápsula de lanzamiento proyectada más pequeña (caída de equipo pequeño, 20-40 kg de cosas) - Para cargas más altas, mayor tiempo de "deslizamiento" y mayor redundancia, más de esos módulos se instalan. También hay un escudo térmico modular en forma de escamas con enfriamiento activo que se puede expandir, colocar en capas o dejar, según la atmósfera en el objetivo (o tal vez las defensas basadas en láser esperadas). Los propulsores se pueden montar debajo y oblicuamente detrás de los lados del escudo térmico. Los propulsores oblicuos se utilizan para maniobras y frenados orbitales y de nivel de entrada. los propulsores completamente protegidos solo se activan después de que el escudo se hundió.

El pilotaje se realiza a un nivel extremadamente alto, básicamente simplemente eligiendo de una lista de ubicaciones proporcionada por la computadora: todo lo que está debajo está automatizado, ya que la gestión necesaria de empuje y escudo está más allá de los tiempos de reacción de los humanos de todos modos. Interacción con el piloto automático a través del HUD que tienen los soldados de todos modos.

Los soldados yacen acurrucados sobre un colchón formado por un saco elástico lleno de granos elásticos (y llenos de gas). Básicamente, un colchón de vacío, pero construido para que básicamente esté completamente hundido en él cuando se aplica el vacío (el vacío en el colchón lo endurecerá, brindándole apoyo, al mismo tiempo que 'infla' los granos. Cuando se gira el vacío apagado, los granos pierden volumen, por lo que es mucho más fácil levantarse del colchón.Equip también se forma al vacío seguro.

De todos modos, los soldados tienen su propio suministro de aire, por lo que la cabina se inunda con nitrógeno para reducir los riesgos de incendio.

La cápsula es para un solo uso, y los retro-cohetes evitan cualquier intento de mantener el secreto de todos modos, al aterrizar, se dispara una punta en el suelo, anclando la cápsula. La apertura de la cápsula se logra mediante pernos explosivos que abren la cápsula como una flor, las hojas se abren por la acción del resorte del material. (Entrar en la cápsula implica acostarse en el combo g-colchón-vuelo-computadora, y luego ser transferido, en bloque, a la cápsula que se suelda en un proceso automatizado que toma unos segundos).

La cápsula se libera del portaaviones, frena tanto como sea necesario para dejarla en órbita (ese delta-v inicial también puede ser proporcionado por un lanzador en el portaaviones, también, para ahorrar combustible). El frenado adicional se logra mediante el escudo, o mediante ráfagas de los propulsores, en una secuencia de desaceleración que ingresa el departamento de navegación del portaaviones. Cualquier corrección más allá de eso la realiza el pod sobre la marcha. 9g es ~90m/s^2, lo que significa que puedes perder 90m/s cada segundo. Las velocidades orbitales de unos pocos km/s tardarán un minuto o más en arder. Las restricciones de combustible y aceleración disponibles significan que el soldado cuenta con un mapa que describe el alcance, desde el cual puede elegir ubicaciones de aterrizaje dinámicamente, hasta el último segundo. Como no hay presupuesto ni posibilidad para sensores en tiempo real en la cápsula,

Los propulsores (y en la atmósfera, el escudo) serán visibles incluso en el equipo de imágenes térmicas más básico y, al mismo tiempo, impedirán cualquier reconocimiento de última hora por parte de los habitantes de las cápsulas: todos los mapas estarán precargados. Los últimos 450 m/s (Mach 1,5) tardarán 5 s en quemarse (a 9 g), en este tiempo la cápsula viajará 1,2 km, bastante vertical, por lo que será fácilmente visible para todos los que estén a su alrededor. Ir en ángulo es posible sin aerodinámica, solo usando ráfagas de propulsión bien sincronizadas, pero cualquier velocidad en la horizontal se compra con mucho más combustible, y el objetivo general sería poner las botas en el suelo lo más rápido posible, así que yo Supongo que no habrá flotación real (¡aunque podría haberla!)

La forma será una piña plana (con escudos) y un huevo plano con propulsores sobre puntales debajo sin escudos (aunque por razones de costo, esta será la cápsula que está dentro de la versión de piña).

No habrá capacidad de supervivencia planificada para los golpes cinéticos directos, solo los escudos que pueden funcionar como armadura láser y contra la cinética más insignificante. Si el enemigo puede ahorrar un misil guiado o más de 1000 disparos de cañón AA por cápsula , el momento de dispararlos es después de aterrizar, de todos modos, y los soldados individuales que caen en órbita no harán una diferencia en la situación estratégica.

Aviation.stackexchange.com/questions/1971/… No parece que una ruta de vuelo predecible (directamente vertical) sea una buena idea para un aterrizaje disputado, y el movimiento lateral (aparente) se puede usar para descargar las fuerzas de aceleración en los ocupantes , si no la velocidad real de aproximación. podría proponer una forma más parecida a una mancuerna con aletas, para permitir que la armadura cubra los cohetes mientras la cápsula está invertida, de lo contrario, casi cualquier tipo de golpe es una muerte en el camino de descenso final (aunque todavía prefiriendo la aerodinámica)
@GiuPiete Tiene razón, agregaré algo sobre maniobras evasivas automatizadas (sin respuesta, pero aleatorias). Supongo que cualquier golpe de la cinética matará al vehículo. Es demasiado pequeño y no redundante para sobrevivir. Los láseres podrían sobrevivir con suficiente escudo de ablación para quemar. --- Sin embargo, mi opinión es que las cápsulas de lanzamiento son el equivalente de la historia a los paracaídas, por lo que esperaría cierta resignación a las pérdidas...
seguro y aunque todo eso es cierto, no significa que no hagas el mejor esfuerzo que puedas para asegurarte de que lleguen al suelo. Aparte de eso, si los haces (demasiado) vulnerables a 'muertes suaves', el enemigo simplemente adoptará proyectiles de ráfaga de aire que noquearán grupos a la vez.
ya sabes, podrías usar la cápsula de desembarco como arma... tu descenso alcanza x pies la cápsula de desembarco se inclina y el soldado y el colchón son arrojados (quizás con un poco de asistencia de aproximación final-final-final) los motores de las cápsulas se encienden una última vez en una ruta terminal a algún objetivo/ubicación/lo que sea. Probablemente sería peligroso de todos modos tener una cápsula con cualquier cantidad de propulsor 10x restante a bordo aterrizando junto a ti en una zona de combate :)

No creo que usen las mismas cápsulas de lanzamiento para la atmósfera y los aterrizajes sin aire, ya que los requisitos son muy diferentes.

Una cápsula para un aterrizaje en la atmósfera tiene un uso mínimo para cohetes y no los necesita en absoluto si no se va a reutilizar, mientras que una cápsula para un mundo sin aire necesita un cohete de aterrizaje considerable.

Una cápsula para un aterrizaje en la atmósfera necesita un escudo térmico y el escudo debe estar impregnado con paja y otras cosas para confundir a los sensores enemigos (la razón para usar cápsulas de lanzamiento sobre las naves de aterrizaje es el fuego enemigo, por lo que desea que ese fuego sea lo más ineficaz posible). .) La vaina para el mundo sin aire simplemente expulsará su paja y señuelos.

Para un aterrizaje en la atmósfera, es probable que el soldado no lo lleve hasta el final. Una vez que atravieses el fuego, deja la vaina y déjala caer delante de ti (asegúrate de que caiga más rápido) aún arrojando paja y señuelos. El soldado tiene algo parecido a un traje de alas para darle una buena dirección sin ralentizarlo demasiado (no se preocupe por terminar en una pendiente empinada, el soldado elige su lugar de aterrizaje) y luego un paracaídas para el aterrizaje en sí. En un mundo sin aire, el trabajo principal de la cápsula es el cohete de aterrizaje y quieres estar de espaldas cuando se enciende, no hay nada que ganar al dejarlo.

Para el aterrizaje en la atmósfera, no veo que sea sensato hacerlo reutilizable. Es básicamente un marco, un asiento, el escudo térmico y las contramedidas, y un paracaídas si va a aterrizar. Las contramedidas se gastan, la forma más barata e infalible de implementarlas es incrustarlas en el escudo ardiente y un escudo que se quema es mucho más barato que uno que es reutilizable.

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