Los aviones espaciales son geniales. Los SSTO (Single Stage To Orbit) son aún más geniales.
Imagine un avión espacial que es más o menos un 747. Imagine si Boeing decidiera tener una nueva idea loca e hiciera una variante espacial del 747 (llamado 747 Ultra o tal vez 747-1000). O tal vez en un universo retrofuturista (un 747 probablemente será "los buenos viejos tiempos" para las civilizaciones espaciales) donde deciden hacer un avión espacial con el icónico 747.
Este 747 Ultra podría usarse para volar de planeta en planeta. Debe ser capaz de despegar de un planeta, entrar en órbita, viajar a otro, volver a entrar en la atmósfera y aterrizar.
Sin embargo, mi pregunta principal radica en la construcción de tal cosa. ¿Cuáles son los desafíos que uno encontraría al intentar transformar el 747, la Reina de los Cielos y un pájaro icónico gigante, en un avión espacial SSTO (bastante retrofuturista pero aún avanzado)... si es posible?
Construir un avión espacial SSTO a partir de un 747 con la tecnología actual sería simplemente imposible. El valor clave es la fracción de masa de su propulsión, que básicamente es qué porcentaje del peso de despegue no es combustible y qué parte de ese peso es carga útil en lugar de vehículo. Un vehículo SSTO debe tener aproximadamente un 90 % de combustible en masa. (Los cohetes escalonados pueden tener menos combustible por masa, razón por la cual los usamos). No hace falta decir que el 747 no está diseñado para contener nueve veces su masa seca en combustible.
Así que supongamos que este es su segundo escenario: que un lugar espacial futurista tiene la forma de un 747 por cualquier razón (presumiblemente cultural). Debido a que no tiene una tecnología específica en mente, creo que es más razonable ver lo que haría. necesidad _
Primero, empuje (y combustible). Como se mencionó anteriormente, necesita que su mecanismo de empuje, sea lo que sea, sea mucho más eficiente en combustible que cualquier diseño existente. (Mirando sus especificaciones, el 747 solo transporta su propio peso en combustible con la carga máxima, por lo que debe ser ~ 10 veces más eficiente que las unidades actuales... o algún tipo de unidad sin reacción de ciencia ficción). Hacer que los motores sean pequeños lo suficiente como para caber en las cubiertas de su motor probablemente sea la parte fácil .
En segundo lugar, la estructura subyacente. Con eso quiero decir: el 747 es propulsado por sus alas; todo el empuje se origina allí, y las alas lo transfieren al cuerpo. Un diseño SSTO genera mucho más empuje; las alas deben ser lo suficientemente fuertes como para no romperse. (También deben ser lo suficientemente fuertes como para no romperse en el reingreso, pero sospecho que es un umbral más bajo que el empuje de despegue).
Tercero: necesita poder maniobrar. Teniendo en cuenta todo lo demás, una versión pequeña de lo que sea que sea su propulsor para servir como un sistema RCS probablemente no sea un gran problema. Las propias superficies de vuelo del 474, por supuesto, no funcionarán en el espacio.
Cuarto: al volver a entrar, necesita absorber una inmensa cantidad de calor (a menos que tenga una cantidad de combustible tan fenomenal que pueda volver a entrar lentamente). Cualquiera que sea la piel del avión, deberá ser lo suficientemente resistente para soportarlo. También necesitará protección contra micrometeoritos y lo que sea. Necesitará materiales fuertes para el parabrisas de la cabina, etc.
Todo esto ha sido asumiendo que desea que el diseño interno sea básicamente idéntico. Si tuviera que ahuecar la cabina y la bodega de carga y convertirlos en tanques de combustible, no es tan inverosímil, pero creo que las alas todavía tienen una forma incorrecta y el escudo térmico seguirá siendo un problema.
El 747, como todos los aviones de ala fija del Wright Flyer I de los hermanos Wright, depende de la sustentación de las alas que vuelan a través de la atmósfera para volar. Esto significa generar sustentación a medida que el aire se mueve sobre las alas. A cierta altitud, el aire más delgado significa sustentación insuficiente. Entonces las alas no te ayudan por encima de ese máximo. Notarás que no hay alas grandes en ninguna nave espacial que esté ahora o haya estado en servicio. Hay una razón para eso.
Sí, el transbordador espacial tenía alas. Pero eran rechonchos y no proporcionaban mucha sustentación en comparación con los 747.
Su motor debe proporcionar empuje. A medida que asciendes, pierdes empuje. Especialmente de motores a reacción o de hélice. Así que tienes que compensar con una forma diferente de empuje. Hoy, eso significa motores de cohetes en lugar de motores a reacción. Los motores a reacción de su 747 son inútiles por encima de cierta altitud máxima, porque simplemente no hay suficiente aire.
(Consulte esta publicación que cubre el empuje y la sustentación con mayor detalle).
Los motores de cohetes consumen una gran cantidad de combustible. Básicamente, cada máquina que la humanidad ha enviado al espacio ha llevado más combustible que carga útil en el momento del lanzamiento. Wikipedia tiene detalles para ampliar esto.
Las naves espaciales se dirigen girando para apuntar sus propulsores principales en una nueva dirección o usando motores más pequeños para apuntar y disparar, cambiando la dirección de vuelo. Su 747 vuela moviendo las superficies de control para cambiar de dirección. Esas superficies de control no tienen absolutamente ningún uso una vez que se eleva por encima de cierta altitud. Por la misma razón básica por la que pierde sustentación.
Los aviones mantienen la presión de la cabina extrayendo el aire de los motores y haciéndolo circular hacia la cabina. Esto, por definición, significa que la cabina no es hermética y que, por definición, debe tener acceso al aire exterior. Su space-747 debe tener oxígeno a bordo y un ambiente sellado para mantener la presión de aire interna contra el vacío del espacio. Es un conjunto de sistemas completamente nuevo que no se puede soldar simplemente al fuselaje; es un rediseño completo de todo el sistema.
Las naves espaciales deben estar protegidas contra la radiación que simplemente no es una amenaza dentro de la atmósfera terrestre. Su 747 necesitaría algunas actualizaciones serias para manejar esto .
Literalmente, todos los componentes exteriores de su 747 necesitan ser reemplazados, desde el vidrio de sus ventanas hasta el aluminio del casco. Nada tiene la fuerza suficiente para manejar las nuevas tensiones que desea introducir.
Su avión puede regular la temperatura porque está volando en una atmósfera. Es una tarea relativamente trivial calentar o enfriar el aire exterior según sea necesario antes de introducirlo en la cabina.
Pero el vacío del espacio es, literalmente, el mejor aislante posible. Wikipedia describe la variedad de sistemas de control térmico necesarios para mantener la temperatura en el espacio. Un 747 no necesita nada de esta complejidad. Cada uno de estos sistemas debería tenerse en cuenta en su nave tipo 747.
El 747 se introdujo en la década de 1970. Incluso con las actualizaciones, la electrónica a bordo no cubrirá las necesidades de una nave espacial. Necesitará incluir generación de energía, comunicaciones, navegación, soporte vital, aviónica y otros subsistemas informáticos mucho más complejos. Aparte del entretenimiento a bordo, el teléfono que permite a los asistentes de vuelo hablar con la cabina o con los pilotos y la iluminación del techo, sospecho que literalmente no hay nada en la electrónica a bordo que pueda usarse en el nuevo rol espacial.
Un simple cinturón de seguridad cruzado, bolsas para vomitar y dispositivos de flotación no van a ser suficientes. Necesitas trajes presurizados. Lo que significa que necesita asientos con suficiente espacio para un humano promedio en un traje presurizado. No hay un 747 en servicio comercial que tenga la habitación que necesitas. Y dudo seriamente que el cojín del asiento de flotación sea de alguna utilidad.
Básicamente, no hay ninguna ventaja en un avión estilo 747 para vuelos espaciales. Tendrías que ponerte motores de cohetes, tanques de combustible masivos y todos los jets de actitud necesarios para la dirección. Tus alas nunca pueden crear suficiente sustentación a baja altura para elevarte por encima de la atmósfera. Simplemente crearían resistencia una vez que sus motores de cohetes masivos comiencen a acelerar. Probablemente tampoco podrían hacerse lo suficientemente fuertes para superar las fuerzas experimentadas durante el reingreso.
Básicamente, la única forma de convertir su 747 en un avión espacial es agregar handwavium en dosis masivas. Necesita algún tipo de motor antigravedad para negar el peso de su avión, algún tipo de motores que requieran poco o ningún combustible consumible para proporcionar sustentación, y también necesita agregar motores de dirección. Ah, y la protección contra la radiación y otras preocupaciones ambientales. E incluso entonces, el producto final probablemente no se parecería en nada a un 747 real.
Como se mencionó anteriormente, un avión espacial SSTO de 747 no es posible en la etapa tecnológica actual. Pero veamos lo que es posible – o al menos estaba proyectado y más o menos factible.
Voy a reutilizar parte del material de otra pregunta que he respondido sobre SSTO .
El transbordador espacial pesa 78 toneladas cuando está vacío y puede llevar una carga útil de 27 toneladas a una órbita terrestre baja . Pero para eso necesita la ayuda de un tanque externo de 756 toneladas y dos propulsores de cohetes de combustible sólido que pesan 571 toneladas cada uno . La mayor parte del peso de esas bestias (~92%) es combustible.
El 747 tiene muchos modelos, con pesos máximos de despegue que van desde 320 a ~448 toneladas .
Simplemente no tiene la capacidad de contener suficiente combustible para alcanzar una órbita terrestre baja.
De hecho, hacer que algo así sea capaz de SSTO requeriría hacer una nave frankeinsteiniana mucho más grande que tendría tantos problemas de diseño adjuntos que la respuesta podría ser tan grande como un libro sobre ingeniería aeroespacial. El problema principal tiene que ver con la ecuación del cohete : TL; DR, sus requisitos de combustible tenderán a crecer exponencialmente.
Sería más fácil fusionar los tanques externos del transbordador en una sola pieza y unir una cabina de tripulación en la punta del tanque más grande.
Si desea lograr SSTO, debe:
Trabaja con un avión mucho más pequeño. Algo del tamaño de un avión de combate moderno. Estos aviones están construidos para tener una relación empuje-peso más favorable y, si no recuerdo mal, sus motores tienen un mejor impulso específico. O...
Profundice en la ciencia ficción y permita cosas como "unidades antigravedad" o lo que sea. Las naves espaciales en los universos de Star Wars, Star Trek, Marvel Comics, etc. están alimentadas por la incredulidad; a medida que desaparece la incredulidad, también lo hacen las naves.
Lo primero que me viene a la mente son los problemas de construcción de materiales.
En primer lugar, el casco de acero y aluminio de un avión comercial tradicional está fuera de lugar: carece de la resistencia y el sellado de gas necesarios para entrar en un vacío total. También carece de la resistencia al calor para un vehículo de reingreso. Los materiales con esa combinación de fuerza y resistencia al calor van a ser más gruesos y/o más pesados que un fuselaje tradicional, lo que significa que la forma no puede permanecer igual. La segunda razón por la que se debe rediseñar el fuselaje es que un tubo cilíndrico que golpea la atmósfera durante el reingreso hará que el viaje sea más violento porque no tiene la forma para un aerofrenado eficaz, el reingreso es lo suficientemente violento como para que un cilindro largo tienda a abrocharse en el mejor de los casos las condiciones del escenario ycambia las condiciones del mejor de los casos a un grado aterrador.
En resumen, dadas las graves desventajas de la forma en planta y los métodos de construcción utilizados para los aviones de pasajeros, se necesita un rediseño completo. Eso no quiere decir nada sobre las relaciones de empuje, etc., que son un conjunto de problemas diferente e incluso más restrictivo, eche un vistazo a la página de cohetes atómicos de Winchell Chung en algún momento, explica los problemas con las restricciones de energía/masa que estropean la mayoría de las ciencias. fi diseña mucho mejor y más simple que yo.
Enumeremos algunos de los problemas que deberían resolverse, siguiendo la trayectoria hipotética desde JFK hasta la base lunar.
Y ahora que tu avión no es más que un trozo de chatarra esparcida por la Luna, será bastante difícil hacerlo volar de regreso a la Tierra...
Suponiendo que consigas despegar de nuevo con un avión algo golpeado, ahora tienes que afrontar el último problema:
pavel janicek
José
jamesqf
Ceniza
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