Escalera espacial de globos [duplicado]

Resumen : No, esto no funcionará de ninguna manera o forma. Y si consiguiera que funcionara, sería más caro que usar cohetes.

10 razones por las que no funcionará:

Los aviones pueden llegar a una altitud de ~30 km. Por encima de eso, la atmósfera es tan delgada que se necesitan alas increíblemente grandes para proporcionar suficiente sustentación. Un avión que vuela junto a un riel no es diferente en este sentido.

Luego está el método para transferir energía del riel al avión. Esto se ha estudiado ampliamente: los trenes utilizan el mismo método para transferir energía desde sus cables de catenaria aérea. A una velocidad de 500 km/h esto ya es problemático, como descubrió la SNCF cuando se preparaba para el récord mundial de velocidad con su TGV . El pantógrafo presiona contra el cable/carril de alimentación. Esto mueve el cable/carril de alimentación. A baja velocidad, este movimiento es lo suficientemente pequeño como para que el pantógrafo permanezca en contacto constante con el cable.

A alta velocidad, el pantógrafo ya no puede seguir el cable de forma fiable, por lo que el contacto es intermitente. Aplicar más tensión (mecánica) al cable reduce cuánto se mueve el cable, pero esto está limitado por la resistencia mecánica del cable. La velocidad más alta jamás alcanzada con un método de transferencia de potencia de este tipo es de ~580 km/h o unos 200 m/s.

Luego está la distancia entre el avión y el riel. Esto tiene que ser lo suficientemente pequeño para permitir que una estructura como un pantógrafo cubra la brecha. Pero tiene que ser lo suficientemente grande para evitar que la aeronave golpee la barandilla cuando se encuentre con turbulencias (que fácilmente pueden desplazar la aeronave decenas de metros).

Incluso si puede superar el problema de la turbulencia, ha llevado su cohete a 20 km de altitud y 200 m/s. Necesitas 200 km y 8 km/s, por lo que todo ese esfuerzo ha dado como resultado una reducción muy pequeña del tamaño del cohete.

Existen cohetes lanzados desde aviones (Pegasus, Virgin LauncherOne) pero no son comunes. La mayoría de las compañías de cohetes no creen que valga la pena molestarse con un avión como primera etapa. Un avión de propulsión eléctrica agregaría varios obstáculos más a un problema ya difícil.

Parece que estás tratando de abaratar el lanzamiento ahorrando combustible. Pero el costo del combustible es una parte insignificante del costo de un cohete. El lanzamiento de un SpaceX Falcon 9 cuesta 60 millones de dólares . Solo $ 200k de eso es el costo del combustible.

Incluso si pudiera acelerar a 1000 m/s en su sistema de lanzamiento, eso deja 7000 m/s que debe proporcionar el propulsor. 7/8 de un Falcon 9 sigue siendo un cohete de 60 millones de dólares, solo que será un poco más corto que el F9 actual porque necesita menos combustible . La única ventaja de costo está en una sección de barril para los tanques de combustible que puede omitir, y esas son piezas baratas.

Entonces, para ahorrar unos cientos de miles por lanzamiento, está proponiendo un sistema de rieles y docenas de dirigibles. Las tasas de lanzamiento tendrían que ser enormes para que eso sea económicamente factible. Hasta entonces, usar un avión como primera etapa es una mejor opción, e incluso eso tiene sus limitaciones, ya que no existe ningún avión que sea lo suficientemente grande como para lanzar, por ejemplo, un satélite de comunicaciones de 4 toneladas a GEO.

Nuevo: cálculo de costo, peso y volumen

El cable de catenaria que utilizan los ferrocarriles pesa del orden de 600 kg/km .

Bu60-1 tenía 60.000 m ³ , es decir, 50 m de diámetro y tenía una carga útil de 4,6 kg. Así que un globo capaz de soportar 500 kg necesitaría un volumen de ~60 millones de m ³ , eso es un diámetro de 500 m.

El globo de gran altura más grande mide 0,5 millones de m ³ y tiene una vida útil de 30 días.

Por lo tanto, sus globos tendrían que ser 10 veces más grandes que el globo de gran altura más grande que se haya fabricado, y tendría que reemplazarlos cada 30 días.

La cuerda debe estar en un ángulo poco profundo para evitar que la aeronave entre en pérdida. Digamos una calificación de 1/10. Para alcanzar los 50 km de altitud, necesitas una cuerda de 500 km de largo.

• Una catenaria de 500 km no funciona: las catenarias de los ferrocarriles se alimentan a intervalos regulares, a 500 km la caída de tensión sería severa.
• para llenar los globos se necesitan 3 mil millones de m ³ de helio, eso es 30 veces la producción mundial anual. El costo es del orden de miles de millones de dólares.
• He ignorado los efectos del viento: el viento a gran altura ejerce mucha fuerza sobre los globos y el cable.

La velocidad que necesita para mantener LEO (~200 km) es del orden de 7800 m/s (~28,000 mph).

El SR-71, que AFAIK es el avión a reacción de vuelo más rápido, alcanzó una velocidad máxima de poco más de Mach 3, o alrededor de 1029 m/s (~2300 mph).

El avión cohete X-15 alcanzó un máximo de ~2020 m/s (~4520 mph). Ambos quedaron muy por debajo de lo que se requiere para alcanzar la órbita (que es lo que interpreto que la mayoría de las personas quieren decir cuando dicen "espacio").

Y, por supuesto, te quedas sin atmósfera utilizable para generar sustentación muy por debajo de LEO.

Entonces, sí, definitivamente necesita cohetes para alcanzar la órbita, lo que significa que debe llevar consigo la masa del motor del cohete y el propulsor mientras sube por el cable.

Entonces tenemos que considerar las siguientes cuestiones logísticas:

• Enhebrar una serie de dirigibles desde el nivel del suelo hasta la estratosfera (20 y tantos kilómetros, más o menos), de modo que se queden quietos y no representen un peligro para otras aeronaves;

• Suspender un conductor continuo de esos dirigibles (que, con unos 20 y pico kilómetros de largo, va a pesar varias decenas de toneladas, por lo que tendrá que tener una gran resistencia a la tracción);

• Mantener estable la cadena de dirigibles y el conductor mientras un avión ruge a su lado, y construirlo para resistir las ondas de choque del avión a medida que se vuelve supersónico;

• Transferencia de energía del conductor a la aeronave;

• Construir un turboventilador eléctrico capaz de propulsar un avión a velocidades superiores a 2000 m/s, mientras transporta la carga útil y la masa del cohete;

• Protocolos de seguridad en caso de falla de una envoltura de dirigible o si el conductor se suelta;

Luego, hay algunas preguntas de ingeniería para las que no estoy calificado de ninguna manera, como qué grosor debe tener el conductor para transferir suficiente energía sin derretirse, cómo generar esa energía, cuánto se pierde en la resistencia cuando llega al parte superior del conductor, etc.

En resumen, este no es un enfoque práctico.

Editar

Cualquier cosa que evite las pérdidas por gravedad es una buena idea, razón por la cual algunas personas han desarrollado sistemas de lanzamiento aerotransportados: el cohete no lucha contra la gravedad durante tanto tiempo como lo haría cuando se lanza desde el suelo, lo que ahorra un poco de masa propulsora. . Sin embargo, el lanzamiento aéreo simplemente no es práctico para nada más que pequeñas cargas útiles. Es mucho más fácil (al menos desde la perspectiva de la ingeniería) construir cohetes más grandes que construir aviones más grandes.

Parece que el transbordador espacial está haciendo 1500 m/s a 30 km de altitud, que es de aproximadamente 3350 mph. El motor a reacción más rápido jamás construido es el poderoso J-58 que en el SR-71 produce una velocidad máxima de aproximadamente 2200 mph. Dudo que un e-fan pueda superar eso y ya es un 50% corto. Debe ir al menos a 15,000 mph para hacer la órbita, por lo que no veo que los ventiladores electrónicos agreguen ningún valor.