¿Es preciso representar escenas de viajes en el espacio profundo sub-FTL con motores en llamas?

He visto muchas escenas de ciencia ficción que muestran una nave en un viaje al espacio profundo. A medida que el barco pasa por el punto de vista, podemos ver los motores ardiendo durante velocidades inferiores a FTL (The Expanse más recientemente).

¿Por qué los motores necesitan quemarse una vez que se alcanza la velocidad objetivo?

¿Hay resistencia en el vacío del espacio que reduciría la velocidad, o se supone que la nave está bajo una aceleración constante? ¿No continuaría la trayectoria a la misma velocidad y dirección sin necesidad de asistencia del motor?

Si bien la gente aquí puede responder, tal vez debería preguntar esto en Physics.SE
¿Quiere saber razones para explicar por qué este podría ser el caso (puedo pensar en un par) o simplemente asegurarse de que tiene razón de que esto no tiene por qué ser así? La cuestión es que puede encontrar fácilmente razones para quemar motores, y está preguntando sobre ficción en general; no puede decir que esto está mal sin un ejemplo concreto.
@ Raditz_35 ya que menciona el programa de televisión The Expanse , se trata más de lo que hacen los guionistas que de la ciencia real.
@RonJohn Esto sería más adecuado para películas o ciencia ficción que si se trata específicamente de un programa. Pero actualmente no lo entiendo, ya que pregunta exclusivamente sobre la extensión.
@Raditz_35 buen punto sobre ser OT.
Recuerde la primera ley de Newton: un objeto en movimiento permanece en movimiento hasta que otra fuerza actúa sobre él. Sí, hay polvo en el universo que causaría arrastre, pero es minúsculo e irrelevante (si existe la materia oscura, entonces puede ser algo más que minúsculo, pero bastante irrelevante). Por supuesto, tienes de todo, desde nebulosas hasta campos de asteroides que pueden causar arrastre. Pero en el espacio, prácticamente nada. Exprime el jugo y navega (casi) para siempre.
Fuerza igual a la masa multiplicada por la aceleración, por lo que su motor tiene que quemar combustible para ganar velocidad (aceleración). Su masa disminuiría porque está convirtiendo combustible en calor y otras cosas. Su velocidad es constante a menos que actúen sobre ella fuerzas externas, como la atracción gravitatoria de un objeto masivo como la estrella de la muerte, etc.
ver Deep Space 1 para un ejemplo real. El motor estuvo encendido durante 670 días.
@nzaman Realmente esto podría ir en Física, Exploración espacial, aquí (porque es un tema común para construir un mundo), o tal vez incluso SciFi. Cualquiera de esos lugares podría responderlo y beneficiarse de que lo vean allí, así que no creo que sea un problema dejar que se quede.
Teniendo en cuenta The Expanse en particular, vale la pena tener en cuenta que el Rocinante no es solo un barco militar, sino una clase de barcos para los que el alto delta-V es un objetivo de diseño. En los libros vemos u oímos hablar de bastantes barcos que hacen la mayor parte de sus viajes en trayectorias de caída libre.

Respuestas (5)

Hasta que llegue a velocidades relativistas, la cantidad que quema solo está limitada por el combustible. La Expansión proporciona un buen ejemplo. Tienen motores Isp súper altos de onda manual. Dado que no hay una razón convincente para ahorrar combustible, la forma más rápida de ir de un lugar a otro es acelerar hasta la mitad del camino (más o menos), luego girar para desacelerar todo el camino hasta el destino. Si es necesario conservar combustible, divídalo en distintas quemas y descanse en el medio. En The Expanse , es útil porque pueden navegar a 1 g de aceleración y usar los motores para la gravedad artificial. Solo tienen que lidiar con gravedad cero durante la maniobra de volteo o cuando están acoplados.

Si te preocupan las velocidades relativistas, probablemente no quieras seguir quemando más allá de 0,7 o 0,8c. Vea este gráfico genial . Alrededor de este punto, una mayor aceleración comienza a aumentar el efecto de dilatación del tiempo y está perdiendo la oportunidad de llegar a cualquier lugar más rápido. Puedes seguir quemando si la velocidad es crítica, pero tus pérdidas en términos de consumo de combustible comenzarán a devorarte vivo. Por lo tanto, una quema prolongada y un deslizamiento a bajas velocidades relativistas sería el camino a seguir si está haciendo ciencia ficción en el futuro lejano.

En la serie de libros Expanse, mantener la gravedad artificial es una de las razones principales por las que las naves permanecen bajo fuego constante: no se trata solo de llegar rápido a los lugares. De hecho, hay más de una instancia en la que vuelan sus naves en un gran círculo solo para mantener la gravedad.
Esta es una respuesta increíble.
El consumo de combustible te comería vivo solo si te preocuparas por aumentar la velocidad en el marco de referencia galáctico. Si la razón por la que está acelerando es para mantener 1 g en el marco de referencia local, podría tener sentido mantener los motores encendidos, incluso si tiene un impacto insignificante en la velocidad de su marco de referencia galáctico.
@RM ¡Ese es un buen punto! No estaba pensando más allá de una carrera hacia el McGuffin.
Tenga en cuenta que la dilatación del tiempo relativista solo se aplica a los observadores externos. Para las personas en el barco, parecerá que llegan más rápido.
"la cantidad que quemas solo está limitada por el combustible". En realidad, para los cohetes, la masa de reacción es más una restricción que el combustible.
"Alrededor de este punto, una mayor aceleración está comenzando a aumentar el efecto de dilatación del tiempo y estás perdiendo la oportunidad de llegar a cualquier lugar más rápido". No estoy seguro de que eso sea cierto: por un lado, lo que importa es la velocidad; para otro, incluso si experimenta la dilatación del tiempo, eso solo significa que le parece que el viaje toma menos tiempo. En realidad no te frena.
Por otro lado, desea una buena dilatación del tiempo para vuelos espaciales largos, ya que reduce los otros consumibles.
@jamesqf: no solo más rápido, sino que usa menos combustible, desde su propia perspectiva.
@MParm Debería agregar un poco sobre el tema de arrastrar en el espacio, es la única parte de la pregunta original que se perdió.
@Acumulación La masa de reacción es el combustible...
@immibis El combustible se usa como masa de reacción, pero hay una distinción. Usar un combustible con 100x la densidad de energía significaría que tiene 100x el combustible, pero la misma masa de reacción.

Los motores pequeños continuos de alto ISP son una excelente manera de viajar.

Si sus motores tienen más potencia de la que necesita para llegar a su destino en el tiempo que desea, y la respuesta del ISP a la tasa de potencia es uniforme, una quema corta y fuerte seguida de un arranque por inercia será un poco más eficiente en combustible que una quema larga y débil.

Por otro lado, si la eficiencia del motor disminuye a medida que aumenta su rendimiento por un margen decente, una combustión lenta larga seguirá siendo más eficiente que una combustión corta rápida.

Los cohetes espaciales actuales realizan encendidos cortos y rápidos porque nuestra tecnología realmente no nos brinda buenas opciones de encendido lento y eficiente. Esto está comenzando a cambiar con nuestra tecnología de motores iónicos.

Una embarcación con motores de baja potencia y alta eficiencia y motores de alta potencia y baja eficiencia querría quemar continuamente los motores de baja potencia para llegar rápido a algún lugar.

Una nave en la que sus motores excedan 1 g de empuje querrá quemarse continuamente en lugar de quemarse más fuerte solo para la comodidad de los pasajeros.

La distancia que recorres es la integral de tu velocidad. Las quemas largas son pendientes, las quemas rápidas son pendientes más empinadas y la inercia es una línea. En función de la curva de velocidad de quemado a eficiencia, puede determinar qué tan rápido o lento querría un quemado para un perfil de distancia determinado.

En teoría, las órbitas y el movimiento de su objetivo también influyen; con las órbitas, a menudo desea poner todo su empuje en una ventana corta basada en la geometría orbital (apogeo, perigeo o los nodos de una órbita de transferencia de Hohmann).

Entonces, hay muchas razones por las que tendría quemaduras cortas y muchas razones por las que tendría quemaduras largas.

+1 por mencionar motores de iones de la vida real.
"Los cohetes espaciales actuales realizan encendidos cortos y rápidos porque nuestra tecnología realmente no nos brinda buenas opciones de encendido lento y eficiente". Eso no es realmente cierto: los cohetes más fuertes son mucho más eficientes cuando te preocupas por ponerte en órbita, por lo que hay muchos incentivos para desarrollar cohetes como ese primero.
"una quema corta y fuerte seguida de un deslizamiento será un poco más eficiente en combustible que una quema larga y débil". Mucho más eficiente si hay un planeta masivo cerca. Ver efecto Oberth.

No es exacto, como ya supones.

Esos grandes quemadores en la parte posterior sugieren fuertemente que los barcos vuelan empujando la masa de reacción hacia atrás para impulsarse hacia adelante. Incluso con la tecnología del futuro en mente, estás atascado con la tiranía de la ecuación del cohete. Básicamente, a medida que alcanza velocidades más altas, necesita más y más masa de reacción para acelerar y desacelerar, lo que hace que su nave sea más pesada, por lo que necesita motores más grandes y más combustible, hasta que su nave sea un tanque de combustible gigante con motor y cabina atados. lo.

Dado eso, simplemente no tiene sentido ir más rápido y quemar más de lo absolutamente necesario. Una nave militar en una misión de intercepción de corto alcance probablemente haría esto, pero si se quemara sin parar durante 30 días en el espacio profundo, también se necesitarían 30 días para deshacer esa quema si la situación cambia, así que cuanto más rápido fue, más estaría encerrado en un curso.

Volando hacia atrás

Suponiendo que la tecnología del futuro de alguna manera descubriera una forma para que los barcos tuvieran/obtuvieran masa de reacción/combustible ilimitada (¿quizás extrayéndola de una dimensión alternativa en vuelo?), Seguirían haciendo las cosas de manera bastante diferente a como se muestra en las películas.

Cualquier nave que se acerque a un planeta u otro objeto que no acelere volaría (y se quemaría) normalmente al principio, pero luego a mitad de camino daría la vuelta, apuntaría los motores hacia adelante y reduciría la velocidad. Para un objetivo que acelera como otro barco, el objetivo sería igualar las velocidades o, en la batalla, al menos reducir la velocidad lo suficiente como para estar dentro del alcance del objetivo durante más de 1-2 segundos. Eso significa quemar retro, izquierda, derecha, arriba, abajo, básicamente de cualquier manera excepto hacia adelante hasta que estés detrás de ellos.

Montar varios juegos de motores en varias direcciones solo haría que la nave fuera más pesada y lenta, por lo que siempre habrá motores principales en una dirección, con pequeños extras para movimientos rápidos e impredecibles.

Las películas apestarían

Por supuesto, las maniobras orbitales y los detalles de la navegación en el espacio profundo son tan extraños para el espectador promedio de películas que el valor del entretenimiento anula el realismo incluso si los creadores saben cómo debe verse. El sentimiento al que aspiran las películas suele ser el de los aviones de combate de la Segunda Guerra Mundial. bombarderos y acorazados. Esos son familiares, hay mucha acción y está dentro de un rango visual fácil, así es como se ven y se mueven las naves espaciales de las películas.

No necesita combustible ilimitado, el combustible adicional solo debe ser más barato de lo que vale el beneficio de quemar motores para quien lo paga. Puede sonar como un quisquilloso, pero esto cambia el carácter de "muy irrazonable a" situacionalmente preciso"
No es tanto el costo del combustible (en realidad, la masa de reacción), es toda la masa adicional que necesita para acelerar y desacelerar, lo que nuevamente cuesta más combustible, etc. A menos que, por supuesto, el empuje sin reacción sea una cosa, entonces no necesita esos grandes quemadores en la parte de atrás de todos modos.
Su edición básicamente describe cómo funciona esto en The Expanse.
Sí, amo esa serie, y se acercan mucho más a la realidad allí, aunque las peleas se vuelven convenientemente de corto alcance cada vez gracias al sigilo y la sorpresa. La primera gran pelea básicamente se considera terminada después de que disparan un montón de torpedos a larga distancia, pero luego suceden los spoilers...
No necesitas succionar masa de reacción de una dimensión alternativa: hay hidrógeno flotando. Ver estatorreactor Bussard.
Recuerdo de otra publicación aquí que se demostró que en realidad no producen ningún beneficio neto.

Al viajar largas distancias, toda la energía que se le da a los motores afecta el tiempo de viaje aparente por igual.

Un pequeño empujón durante mucho tiempo en lugar de un gran empujón y la marcha lenta durante mucho tiempo es una compensación de ingeniería razonable, de hecho, nuestros motores actuales más eficientes en combustible son buenos para proporcionar un poco de empuje durante mucho tiempo. Si tiene la energía (irrazonable) necesaria para acelerar una nave a fracciones de c, mantener a los humanos cómodos con una aceleración constante es probablemente una mejor opción que aplastarlos en el lanzamiento y luego dejarlos flotar. También requiere menos potencia (motores más pequeños) para hacer un encendido largo (relativamente) ligero que uno corto y pesado.

Si la nave tiene energía durante todo el vuelo (temperatura por encima de 3 K, luz), probablemente pueda darse el lujo de darle algo a los motores.

Hay una masa interestelar que eventualmente lo ralentizaría; algo como 10 − 7 gramos por metro 2 de sección transversal por año luz, pero eso no es suficiente para preocuparse.

¿Por qué los motores necesitan quemarse una vez que se alcanza la velocidad objetivo?

Porque los guionistas:

  1. no son muy educados en ciencias, y
  2. asumir que los cinéfilos son estúpidos.

¿No continuaría la trayectoria a la misma velocidad y dirección sin necesidad de asistencia del motor?

Correcto. Pero las películas no se ocupan de la realidad.

No es cierto en el caso de Expanse, donde la quema constante proporciona 1 g y hace que el viaje sea más corto que el modo de vuelo pasivo de quema corta.
@Mołot En ese caso, " no se alcanza la velocidad objetivo ", ya que está bajo una aceleración constante. (ISTM, gran parte de su masa sería combustible. No parece muy eficiente).
este programa en particular se menciona explícitamente en la pregunta y en el programa (temporada dos) se explica explícitamente que resolvieron el problema de la eficiencia. Handwavium, sí, pero lo señalaron y prácticamente dijeron "esto es lo que estamos moviendo a mano".
Sí, requiere algunas sugerencias sobre cómo hacer que un motor sea lo suficientemente eficiente como para que sea factible para ese nivel de aceleración, pero para la ciencia ficción eso es bastante realista. El principio no solo es posible, sino que se usa en naves espaciales modernas en forma de motores iónicos como el que se usó en la misión Dawn. Dawn es mucho más pequeña que cualquier nave en la Expansión, y aceleró a 90 mN en lugar de ~1g, pero al mantener sus motores funcionando durante cientos de días, pudo visitar Ceres y Vesta.
@Nick, esos motores de iones de bajo empuje son en lo que también estaba pensando, por eso no los mencioné. Además, no "queman".
¿Es preciso representar escenas de viajes en el espacio profundo sub-FTL con motores en llamas?
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