¿Es posible lanzar un picosatélite en órbita desde un cañón de riel en un avión de gran altitud?

¿Existe alguna combinación de un avión que vuele lo suficientemente alto, con un cañón de riel lo suficientemente pequeño como para caber en el fuselaje y un satélite lo suficientemente pequeño y duradero para que esto sea factible?

La nave espacial NuSTAR fue lanzada desde un pequeño cohete acoplado a un avión. Dado que el peso era tan pequeño, ahorraron mucho en el precio del vehículo de lanzamiento al usar la combinación de un DC-10 modificado y un cohete Pegasus.

Respuestas (3)

Eso depende de lo que satisfaga sus necesidades como "órbita". Creo que es poco probable que haga lo que esperas.

Una buena manera de pensar el problema para hacerlo más intuitivo es decir que hay una regla que se aplica a todas las órbitas de los satélites que, al margen de los efectos de la atmósfera, desde el momento en que finaliza una maniobra el satélite realizará una revolución. en "alguna elipse" y debe pasar por el mismo punto en el espacio en la segunda órbita, sin importar qué tan alto vaya mientras tanto. Dejando a un lado la atmósfera y otras perturbaciones, continuará haciéndolo indefinidamente.

Incluso sin una atmósfera, esta idealización no es correcta porque la Tierra no es una masa puntual, pero servirá para el experimento mental.

En nuestro caso, el final de la maniobra es el punto en que el satélite abandona el cañón de riel. Esto significa que, por muy alto que sea el avión y por grande que sea el cañón de riel, el satélite volverá a la misma altitud después de una órbita. Si incluimos la atmósfera, ya que es necesaria para la aeronave, entonces tenemos que aceptar que la primera órbita probablemente será la última para el satélite debido a la resistencia atmosférica.

Hay dos formas de superar esta restricción.

  1. El cañón de riel le da al satélite una patada tan poderosa que toma una trayectoria parabólica a velocidad de escape y nunca más será visto.
  2. El satélite tiene algunos medios para realizar una segunda gran maniobra, cuando haya ganado mucha más altitud.

En el caso 2, esto tiene el efecto de "elevar el perigeo", lo que hace que el satélite no vuelva a sumergirse en la atmósfera.

Volviendo a nuestra regla del experimento mental sobre las órbitas, ahora hace que el satélite regrese al punto de corte del motor de la segunda maniobra y es ese punto el que ahora define a dónde debe regresar el satélite en las órbitas posteriores.

En resumen, un sistema de envío orbital tiene que impartir incrementos de velocidad en al menos dos puntos de la trayectoria para pasar del reposo en la superficie de la Tierra a una órbita estable. En caso de que se lo pregunte, he descrito un sistema impulsivo idealizado, si tuviera una duración de empuje muy larga, con un arco que se extendiera la mayor parte de una órbita, también encontraría una manera de hacerlo.

considere la longitud del avión frente a la diferencia entre la velocidad del avión y la velocidad orbital para obtener la aceleración requerida (impartida por el cañón de riel). Luego considere componentes/materiales/piezas que no se licúen ni se rompan con estas aceleraciones. La mayoría de las cerámicas (como es común en la electrónica) se romperán. La mayoría de los plásticos (aislamiento eléctrico) se licuarán. Los condensadores se vuelven papilla. Para el propulsor líquido, los tanques deberán estar clasificados para una presión mucho más alta que la presión inerte del propulsor. Los SRB tendrían una oportunidad, si no se encienden por el rápido flujo de energía.
En el caso 1 alcanzaría una órbita solar, y al cabo de un año volvería al mismo punto de la órbita solar, como lo haría la Tierra. Entonces, si ignoramos la luna y otros planetas e idealizamos todo, ¿no deberíamos esperar que el satélite regrese después de un año?
@gerrit Tal vez, si lo idealizamos tanto que deje de ser un problema de tres cuerpos, ¡pero estoy fuera de mi alcance allí!
@Benito Ciaro No sé a dónde quería ir con esto a continuación, pero no está lejos de poder hacer algunos cálculos simples usted mismo para explorar la propuesta en su comentario, eche un vistazo a en.wikipedia.org/ wiki/Hohmann_transfer_orbit para ver qué puedes hacer con él. Si configura delta-V 1 como el impulso del cañón de riel, entonces delta-V 2 será su "mini cohete". Sin embargo, podría no ser tan mini al final.

¿Es posible? Sí, pero no con la tecnología actual (lo siento, no lo siento por ese juego de palabras). En este momento, los cañones de riel no pueden disparar proyectiles lo suficientemente rápido como para lanzar picosats desde la altura. Al menos eso es lo que dicen mis cálculos al dorso del sobre, tal vez alguien verifique mis cálculos.

Usemos el sistema de armas de cañón de riel multimisión de alcance medio (MMRRWS) de 32 megajulios (MJ) de General Atomics. Es el más grande que se muestra a continuación y uno de los cañones de riel más poderosos que existen.
ingrese la descripción de la imagen aquí

La velocidad de escape en la superficie de la tierra es de 11 km/s. El 32 MJ puede lanzar un proyectil a unos 2,5 km/s (5500 mph). Eso no va a funcionar, así que carguemos todo el equipo en la parte trasera de un Lockheed Martin c130-30J. El sistema de energía pulsada que lo hace funcionar puede caber en un contenedor de envío de 20 pies. Por lo tanto, el arma en sí y el sistema de alimentación pueden caber en el compartimento de 55 pies.

Según wikipedia, el c130j puede alcanzar hasta 12 km en el aire. El artículo de wikipedia sobre la velocidad de escape dice que a 9 km se necesitan 7,1 km/s para obtener la velocidad de escape, por lo que esto no funcionará del todo. Tendrás que subir más alto o construir un cañón de riel más poderoso.

Es posible que pueda hacerlo en una aeronave híbrida como la que está fabricando Lockheed Martin . Según mis cálculos, necesitarías llegar hasta unos 22 km para poder usar el cañón de riel.

De interés, la NASA investigó un programa para hacer esto pero a la inversa. La idea era usar un cañón de riel de 2 millas de largo en el Centro Espacial Kennedy que lanzaría un scramjet que luego desplegaría una etapa de cohete con la carga útil. Puede leer más sobre esto aquí https://www.nasa.gov/topics/technology/features/horizontallaunch.html

Esta es una muy buena infografía sobre cómo funcionan los cañones de riel.Información del cañón de riel

Otro problema que asomaría su fea cabeza si intentaras esto: la estela turbulenta.

Su satélite saldrá del barril a una velocidad estupenda. Va a estrellarse contra la atmósfera frente al avión a medida que avanza. Su avión de lanzamiento se estrellará contra esa turbulencia. Me sorprendería mucho si eso no fuera seguido por pedazos del avión que se estrellan contra el suelo.

Y eso suponiendo que ya hayas logrado superar:

El punto de frailecillo es que necesitas un motor de circularización.

El punto de ViennaCodex de que los cañones de riel de hoy no son lo suficientemente poderosos.

El hecho de que el arrastre va a ser brutal. El arrastre va al menos al cuadrado de la velocidad y cuanto más pequeña es la nave, mayor es la relación arrastre/masa y, por lo tanto, más rápido se detiene. Siendo realistas, necesitas algo bastante grande y pesado para poder empujarlo a través de la atmósfera.

También hay un pequeño problema de retroceso. Usando el mismo avión que ViennaCodex, encuentro un peso máximo de 67,000 kg. Supongamos que su lanzador de satélites pesa 100 kg y lo lanza a 7000 m/s. (Estoy ignorando el arrastre aquí, la realidad es mucho peor) Acabas de sacudir tu avión 10 m/s. ¿Y qué, dices? El compartimento de carga tiene 12,5 m de largo. Para impulsarlo, necesita 200,000 g (¡tenga en cuenta que esto está más allá incluso de las armas clasificadas!), Aplicado por 3.5ms. Mientras el arma está impulsando, tu avión está siendo empujado hacia atrás a 290 g. El cañón de riel destroza el avión. Necesitas un enorme amortiguador de retroceso para sobrevivir a esto, ¿y dónde lo vas a poner si el cañón de riel ya es tan largo como el avión?

Ahora, para alimentar esto. Necesita 2,45 GJ suponiendo una eficiencia del 100 %. Los mejores capacitores disponibles están algo por debajo de 10J/cc. Asumiré 10 ya que tengo que sacar un número de un gráfico. Necesita 245 m ^ 3 de condensador para alimentar esto. Eso es más del triple de la capacidad de carga total de nuestro C130j. Esos condensadores fornidos no venían con información de peso, pero buscando en otra parte obtengo alrededor de 2 g/cc. Sus condensadores pesan algo así como 490.000 kg, aproximadamente 15 veces la carga útil total del avión.

Puntos justos, pero esto muestra principalmente que necesitas un avión más grande. Un C130 no es particularmente grande. Por supuesto, incluso con un avión más grande, persiste el problema de que la fuerza sobre el avión es la inversa de la fuerza sobre el avión, y por F=m*a esa fuerza es de aproximadamente 200 MN. Eso acelerará el avión hacia atrás. La cifra de su condensador es un poco rara: tiene una densidad de energía de 2J/g, pero los supercapacitores típicos son 20J/g. 49 toneladas es un peso manejable.
@MSalters Estaba buscando condensadores destinados a una descarga muy rápida en lugar de una densidad de potencia máxima. Dado que el impulso es de 3,5 ms, el condensador debe descargar su potencia en los mismos 3,5 ms. Tenga en cuenta, también, que estaba asumiendo una eficiencia del 100%: no se está acercando a eso a medida que cae el voltaje en el banco.
teniendo en cuenta todo esto, hay un factor más... Tu altitud solo importa en lo que se refiere a la resistencia del aire. Ningún avión jamás construido por el hombre tiene velocidades orbitales remotamente cercanas dentro de una atmósfera, lo que significa que el cañón de riel hace casi todo el trabajo. Si la resistencia atmosférica no fuera una preocupación, tendrías mejores resultados disparando tu cañón de riel desde el suelo. Tal como está, cualquier cosa capaz de poner en órbita un satélite probablemente no se verá afectada por un breve interludio de resistencia atmosférica.
@ Ruadhan2300 Estoy hablando de arrastrar el proyectil. Tienes razón acerca de que la velocidad del avión es inútil: es solo una forma de superar la mayor cantidad de atmósfera posible. Solo digo que no puedes levantar el cañón de riel ni sobrevivir al disparo.
Uno podría sortear el problema de la Fuerza G en el avión soltando el cañón de riel como una bomba en el mismo momento en que se dispara. lo que hace que el arma salga disparada detrás del avión, recupérala con un paracaídas y vuelve a colocarla más tarde. suponiendo que se encontrara un sistema lo suficientemente compacto, podría mantener la fuente de alimentación dentro del avión y permitir que los cables se separen del retroceso utilizando conectores sin bloqueo.
@ Ruadhan2300 Idea interesante: el cañón de riel todavía tiene que ser terriblemente resistente, pero eso es mucho más fácil que hacer que todo el avión sea resistente. Sin embargo, ha agregado un gran problema de puntería (normalmente podría esperar para disparar hasta que la alineación sea la correcta) y aún no ha resuelto los otros problemas.
Tenía en mente que el cañón de riel se apuntaría inclinando todo el avión hacia arriba, y el mecanismo para activar el disparo también lo libera instantáneamente. no tiene tiempo de perder precisión antes de que se dispare el proyectil. Sin embargo, querría algunos mecanismos de interbloqueo serios, algún sistema para asegurarse absolutamente al 100% de que el cañón de riel ya no esté conectado a la aeronave antes de disparar, de lo contrario, destruirá la aeronave y matará a la tripulación. Es posible que desee convertir toda la aeronave en un dron operado a distancia para mitigar posibles desastres.
@Ruadhan2300 Sí, eso protegería al avión del retroceso. (No creo que sobreviva a la onda de choque y la turbulencia y ciertamente no puede levantar la fuente de alimentación sin algunas mejoras importantes en la tecnología de capacitores).
¿Es posible lanzar un picosatélite en órbita desde un cañón de riel en un avión de gran altitud?
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