¿Es factible el desnatado atmosférico para el propulsor?

Es bastante fácil analizar esto en términos de conservación del impulso, supondremos que la velocidad a través de la atmósfera es de 7,8 km/s, que es la velocidad orbital LEO; en realidad, será un poco diferente debido a la rotación del La Tierra y la excentricidad de la órbita que roza la atmósfera, pero no lo suficientemente diferentes como para cambiar la conclusión. Ahora suponga que el barco recoge 1 kg de atmósfera; lógicamente, sería necesario arrojar ese 1 kg completo por la parte trasera a 7,8 km / s para recuperar la velocidad perdida al atraparlo y eso dejaría a la nave sin masa de reacción ganada, para ganar masa de reacción sería necesario expulsar una parte de la capturó gas por la parte trasera a más de 7,8 km/s.

De acuerdo con la tabla de velocidades de escape, la velocidad de escape de un motor de cohete químico alcanza un máximo de alrededor de 4,4 km / s, lo que es un problema grave porque incluso si de alguna manera todo el oxígeno y el nitrógeno pueden usarse como oxidantes (no puede, aunque tal vez algunos de la lata de nitrógeno) y que el combustible no tiene peso, la velocidad de escape sigue siendo demasiado baja para recuperar el impulso perdido.

Entonces, este análisis sugeriría que para los cohetes químicos, una primicia atmosférica es un fracaso total, está tan lejos de ser algo que funcione que ni siquiera necesitamos considerar todos los demás problemas, como la ineficiencia. Sin embargo, la propulsión nuclear o eléctrica podría potencialmente alcanzar las velocidades de escape requeridas, suponiendo que puedan usar nitrógeno como masa de reacción.

En cuanto a los gigantes gaseosos, con una velocidad orbital de más de 15 km/s incluso para Neptuno y Urano, la velocidad de escape requerida sería un serio desafío incluso para la propulsión eléctrica. Ahora, si la atmósfera fuera hidrógeno puro, podría funcionar con el oxidante a bordo porque el hidrógeno es muy ligero en comparación con el oxidante; por lo tanto, capturar 1 kg de hidrógeno a 15 km/s podría compensarse expulsando 5 kg de H₂O a 3 km/s, por lo que hay margen para la ganancia de velocidad allí. Desafortunadamente, la atmósfera no es hidrógeno puro y también contiene aproximadamente un 26% de helio en masa, lo que prácticamente elimina ese margen a menos que tenga algún tipo de filtro mágico. Además, estarías sangrando oxidante como loco, lo que lo convierte en un ejercicio de dudosa utilidad.

Se puede hacer que funcione, pero sería bastante diferente de la representación típica de SF.

Como señala Blake, no se puede ganar nada con la masa que ya se mueve más rápido que el escape de un cohete. Sin embargo, no tiene que recolectar el gas a velocidad orbital. En el caso extremo, puede reducir la velocidad hasta detenerse por completo y repostar mientras aterriza, siempre que su tanque de combustible sea lo suficientemente grande como para permitir que una sola etapa entre en órbita.

Hay planes serios para repostar de esa manera en Marte (~5 km/s) utilizando la tecnología actual, así que nada imposible allí.

La Tierra (~10 km/s) está cerca del límite práctico para una sola etapa, lo suficiente como para que nunca hayamos construido una, pero podría hacerse si no hubiera mejores opciones disponibles.

Suponiendo que rellenar el tanque lleve menos de un año, debería haber algún punto entre la órbita y el suelo en el que no tenga una resistencia excesiva, pero tampoco tenga que vaciar el tanque para volver a la órbita.

Cohetes nucleares

El uso de cohetes químicos probablemente no funcione; prefiero evitar atmósferas compuestas de combustible para cohetes y oxidante perfectamente mezclados, así que comenzaré con un cohete térmico nuclear que tiene un rendimiento similar al H2/O2 pero quemará todo lo que se pueda rociar sobre rocas calientes. Eso no existe, pero parece razonable con la tecnología actual.

También voy a asumir naves de recolección de combustible separadas en lugar de una pequeña adición a una nave más grande: quemar el 90% del combustible recolectado para regresar a la órbita solo le brinda un tanque lleno si puede hacer diez viajes.

Marte se acerca más al desnatado atmosférico básico: la velocidad orbital es menor que la velocidad de escape, por lo que no es necesario reducir la velocidad para obtener una pequeña cantidad de combustible en cada paso a través de la atmósfera. Es posible llenar completamente el tanque.

La Tierra requiere una desaceleración de al menos 4 km/s por debajo de la velocidad orbital. Necesitará una bomba muy rápida, ya que debe producir suficiente empuje para flotar o llenar los tanques unos minutos antes de tocar el suelo o la atmósfera espesa. Volver a la órbita consumirá al menos la mitad del combustible recolectado. Comenzar con suficiente combustible para volver a la órbita no es realmente una opción, por lo que las bombas deberán ser muy confiables y rápidas.

Júpiter requiere una desaceleración de 10 km/s, por lo que realmente no hay margen de error. Cada viaje a la atmósfera utiliza el 99% del combustible recolectado: se necesitan cientos de vuelos para llenar el tanque, y abortar para orbitar ni siquiera es una posibilidad teórica.

Cohetes químicos

Recargar completamente un cohete químico de esta manera probablemente no sucederá. Si encuentra todos los elementos necesarios en un solo lugar, probablemente sea como agua. La energía para procesar eso en combustible para cohetes probablemente signifique un reactor nuclear, que también puede usar de manera más directa.

Recolectar solo el oxidante más pesado es más razonable, pero probablemente no valga la pena en la mayoría de los casos; incluso si Júpiter tuviera una atmósfera de oxígeno puro, estaría usando 99 toneladas de hidrógeno para obtener 8 toneladas de oxígeno.

En la Tierra, es posible que pueda salir adelante: comenzando con 100 toneladas de hidrógeno, podría recolectar 800 toneladas de oxígeno y regresar a la órbita con 50 toneladas de hidrógeno y 400 toneladas de oxígeno.

Desafíos de ingeniería

El cohete en sí es relativamente fácil: ya existen varios diseños adecuados, aunque no se ha volado nada.

Para almacenar el combustible recolectado, necesita algo del tamaño y peso del tanque externo del transbordador espacial, lo cual es bastante fácil, pero también debe poder sobrevivir al reingreso, posiblemente cientos de veces, sin agregar demasiada masa para regresar. orbitar.

Para que quepa una cantidad útil de aire en el tanque, probablemente necesite licuarlo. Un tanque de alta presión también puede funcionar, pero probablemente sea más pesado. Cualquiera de las opciones genera mucho calor. Eso no suele ser un problema, pero está tratando de hacer esto mientras vuela a mach 10 conectado a un reactor nuclear y un motor de cohete.

¿Alguna vez valdría la pena hacerlo?

En la Tierra, podría suceder si ya se usara tecnología suficientemente confiable para otra cosa, pero de lo contrario, hay mejores opciones. El uso de una primera etapa basada en tierra de estilo halcón le brinda la mayoría de los beneficios sin ningún riesgo.

Un planeta similar a la Tierra sin infraestructura podría tener sentido, pero probablemente sea mejor que aterrice: use un cohete que pueda alcanzar la órbita vacío o que actúe como la primera etapa para una gran carga de combustible.

Venus en realidad hace que parezca una opción decente: la producción de combustible en el aire es tan peligrosa como en cualquier otro lugar, pero el entorno de la superficie se las arregla para ser aún más desagradable.

Júpiter necesita muchos vuelos o muchos barcos. Si tiene suficiente infraestructura local para soportar cien naves, también puede construir un ascensor espacial o algo así. Sin eso, ingresar a la atmósfera de un gigante gaseoso está reservado para el capitán de la nave estelar verdaderamente loco que de alguna manera se perdió todas las lunas y el sistema de anillos llenos de hielo de agua de fácil acceso.

La ESA está actualmente (2018) estudiando un proyecto bastante similar . En resumen, no usa oxígeno sino cualquier gas en la atmósfera superior para alimentar un propulsor de iones en lugar de volar con un tanque de gas para alimentar este propulsor.

Como han señalado otros, la velocidad de escape debe ser mayor que la velocidad orbital. Algunas velocidades aproximadas para órbitas circulares bajas alrededor de varios cuerpos:

Venus 7,2 km/s
Tierra 7,8 km/s
Marte 3,5 km/s
Júpiter 42 km/s
Saturno 25 km/s
Urano 15 km/s
Neptuno 17 km/s

La velocidad de escape de 4,4 km/s de Lox/hidrógeno es casi tan alta como la que se obtiene con propulsores químicos. Entiendo que 30 km/s es factible con iones. Pero es difícil imaginar que los motores de iones proporcionen suficiente empuje para mantener una órbita que atraviese la atmósfera superior de un cuerpo.

Sin embargo

Uno de mis sueños de ciencia ficción favoritos ha sido el de los ascensores verticales anclados en Phobos. Relevante para esta pregunta es mi mirada a una atadura inferior de Phobos .

El pie de una cuerda de 5800 kilómetros que desciende de Fobos pasaría rozando la atmósfera superior de Marte durante el periápside de Fobos. La velocidad del pie de sujeción en relación con la atmósfera circundante sería de alrededor de 0,6 km/s. Aproximadamente mach 2. El Concorde lo haría rutinariamente a través de una atmósfera mucho más espesa.

Un pie de amarre que pase por la atmósfera superior de Marte podría recolectar CO2 y argón. La cosecha también podría hacer girar turbinas, proporcionando energía. Sí, esto restaría valor al impulso de Phobos. Pero con 1,1 e16 kilogramos, Phobos es un banco de impulso al que podríamos recurrir durante milenios con poco efecto.

En este momento, no creo que tal atadura sea plausible usando materiales existentes como Xylon. Pero dados los tubos bucky, los beneficios de tal atadura podrían superar los costos.

Sí, esto es ciencia ficción algo exagerada. Pero si hablamos de desnatar la atmósfera de los gigantes de hielo, ya estamos en el reino de lo altamente improbable. Un skimmer de pie de sujeción Phobos es el esquema de skimming más plausible que se me ocurre.

Para subir a bordo 1 kg de gas se requieren muchos kg de escape a una velocidad inferior a la orbital.

La clave para hacerlo es que el barco queme la atmósfera mientras pasa, en lugar de detenerlo primero en relación con el barco, lo que requiere acelerarlo en la dirección equivocada.

En su lugar, utilice un enfoque scramjet:

Queme tanto como sea necesario, sacando una pequeña cantidad para guardar.

¿Puede un motor así funcionar a una velocidad lo suficientemente alta? La mayor parte de la literatura está en unidades Mach, no en km/seg (y los efectos de calentamiento del gas, que cambian la velocidad del sonido, hacen que todo sea un poco confuso), pero parece haber confianza en Mach 10 (de unos 25 necesarios), especulaciones sobre 17 y algunos argumentos aproximados de que el empuje/peso hace que 25 sea improbable. Pero las ideas tienden a mejorar con el tiempo....

Y si estás dispuesto a desperdiciar un escenario, un scramjet primero y un cohete después podrían llevarte de vuelta a la órbita.