Forma óptima para un barco/estación giratorio: ¿desventajas de las esferas? (Protección contra la radiación)

¿Cuál es la forma óptima para una nave espacial?

Así que ya he leído este enlace, y algunos otros similares, y los problemas principales ya los conozco ... pero aún parece que la gran mayoría de los diseños para naves giratorias (para 'gravedad') y las estaciones usan un toro, o tal vez un cilindro.

¿Por qué es esto?

El principal problema que tengo es el blindaje contra la radiación. Parece que si estás usando agua (por ejemplo), necesitarías 2 toneladas de agua por cada metro cuadrado de superficie. Entonces, si usa un toroide, eso es una gran cantidad de peso extra. Una esfera es (por un buen margen) una forma con una mejor relación volumen/área de superficie. Y ahorrar esas 2 toneladas por metro cuadrado mejoraría significativamente su consumo de combustible.

¿Se me escapa algo? Sospecho que hay. En mi cabeza, un toro parecía una forma mucho más 'aerodinámica' (no aerodinámicamente, solo mucho menos desperdicio de volumen). Pero parece que la esfera le da mucho más volumen por mucha menos masa, ¿principalmente debido a los requisitos de protección?

Respuestas (1)

Una estación de hilatura esférica se enfrenta a una serie de problemas. Primero, las diferentes latitudes tendrán diferentes cantidades de "gravedad" centrífuga (debido a los diferentes radios del eje central), lo cual está bien en algunos escenarios pero no es nada útil si solo se preocupa por las partes que están en su objetivo de aceleración y tal vez un poco en caída libre en el medio (que es como parecen estar diseñadas la mayoría de las estaciones giratorias). En otras palabras, un cilindro o toroide intercambia una gran cantidad de volumen interior total: relación de masa para maximizar el volumen interior en el radio deseado : relación de masa. Además, una estación giratoria esférica intentará convertirse en un esferoide achatado.(como lo es la tierra misma) debido a la misma fuerza centrífuga que empuja hacia afuera con más fuerza a lo largo del ecuador, lo que plantea algunas dificultades de diseño y requiere más masa para compensar (la solución de la tierra: llene el medio con roca sólida o fundida y metal para mantener la protuberancia bajo control - obviamente no es viable aquí).

Finalmente, está hablando de "una gran mayoría de los diseños" sin mencionar si está considerando cualquier otro filtro, lo que, para cualquier cosa que nunca se haya construido y sería muy costoso de construir, significa que implícitamente está obteniendo un filtro para el producto mínimo viable (MVP). El MVP para una estación giratoria no está tratando de maximizar el volumen interior: la relación de masa, está tratando de obtener algo que tenga una cantidad utilizable de volumen interior a la aceleración deseada, por el costo mínimo. Para usar algunos números inventados, una estación con 20 veces el volumen interior por solo 2 veces el costo podría no valer la pena, si no necesita tanto volumen.

"Para usar algunos números inventados, una estación con 20 veces el volumen interior por solo 2 veces el costo podría no valer la pena, si no necesita tanto volumen". Estoy de acuerdo con esto, y esta era esencialmente la lógica que estaba usando cuando originalmente estaba considerando un diseño de estilo toroide. Sin embargo, eso solo funcionó hasta el punto en que me di cuenta de que el toro necesita un enorme tonelaje de protección contra la radiación debido al aumento del área de superficie. En teoría, parte de ese tonelaje podría usarse para convertir la estación en una esfera, lo que terminaría con un volumen extra esencialmente "gratuito".
En la gran mayoría de las órbitas, realmente no necesita protección contra la radiación en ninguna parte que no esté directamente expuesta al sol. Si está midiendo el área de superficie total, obtendrá un número muy inflado de un toro. Dependiendo de la orientación, podría restringir el blindaje solo al borde exterior, o solo a las caras superiores (o inferiores), y tampoco necesitaría proteger la mayor parte del medio del toroide.
Esto no se considera un diseño LEO. Sería para otras partes del sistema solar, por lo que no hay protección de la magnetosfera. Marte, por ejemplo, no lo protegerá mucho. A menos que permanezca protegido detrás del planeta, pero entonces no puede usar paneles solares en absoluto. Editar: ¿También pensé que la radiación cósmica era al menos tan peligrosa como la radiación solar? Por lo tanto, necesitaría protección en todas las superficies.
Aquí hay 2 factores a considerar. Primero, el blindaje no tiene que girar. La centrífuga puede estar dentro de la carcasa de blindaje. Eso reduce la integridad estructural que toda esa masa necesitaría si estuviera girando. También reduce mucho el efecto giroscópico, lo que permite cambios de actitud más fáciles.
El otro factor es cómo la relación de peso mejora con el tamaño. Si se necesita medio metro de hielo para protegerse, sería una gran parte del peso para un hábitat de 3 o 4 metros de ancho. Sin embargo, a medida que aumenta el tamaño total, el grosor del escudo permanece igual. Si el hábitat tuviera 50 metros de ancho o más, el blindaje sería una porción mucho menor de la masa total.
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