¿Lanzar un transbordador desde un ángulo de 45 grados sería lo más eficiente en combustible para un cañón de riel?

Así que estoy en cuarto año y estoy haciendo el BT Young Scientist (la versión de Irlanda para una feria de ciencias pero más grande y hay un premio en efectivo) y se me ocurrió la idea de lanzar un transbordador espacial desde un cañón de riel, y me preguntaba si un 45 ángulo de grado sería la forma más eficaz de orbitar alrededor de la tierra.

La velocidad necesaria para una órbita no es posible en las partes más densas de la atmósfera cerca del suelo. La nave espacial sería destruida por la inmensa carga de calor. El reingreso desde la órbita es diferente, la velocidad máxima está dentro de la atmósfera superior con una carga de calor muy baja.
Si está interesado en empresas como esa, le recomiendo invertir en Kerbal Space Program. Es la mejor manera de aprender cómo funciona la mecánica orbital. Le mostrará muy rápidamente que su idea fallará (y por qué fallará), pero también le mostrará docenas de ideas "cercanas" que son meros ajustes a su enfoque original, pero que hacen posible dicho diseño. (como pista: ¡quemarse en el apogeo es realmente útil!)
podrías probar en la luna aunque :)
@Antzi la luna es demasiado dura...
No la luna. El Mun.
Si vamos a citar XKCD, tenemos que mencionar qué pasaría si
Para obtener más información sobre uno de los desafíos de ampliar los cañones de riel a tamaños de carga útil a órbita, recomiendo " That's a big transistor " de Eric Lippert.
Depende de a dónde quieras ir. La órbita de la Tierra probablemente favorece un ángulo más bajo, yendo a la Luna en un ángulo más grande. Sin embargo, hay otros problemas además de "solo" el ángulo. ¿También has pensado en ellos?

Respuestas (6)

Dos problemas:

  1. Cualquier órbita alcanzada pasará (descontando las perturbaciones) por el punto en el que fue alterada por última vez por alguna fuerza externa. En el caso de su cañón de riel, si está en el suelo, cualquier posible trayectoria sin escape que tomará también se cruzará con el suelo. Para una órbita sostenida, necesita un segundo impulso cerca del apogeo para elevar el perigeo por encima de la atmósfera.

  2. Cualquier lanzamiento basado en cañones de riel dará como resultado magnitudes de aceleración tan grandes (miles de Gs) que cualquier cosa que se parezca a una nave espacial reconocible simplemente será aplastada.

No solo pasará por el punto donde se modificó por última vez, sino que pasará por ese punto en el mismo ángulo. Entonces, 45 grados es malo, porque la órbita se cruzará con el suelo, incluso antes de que entre en juego la resistencia del aire.
La aceleración de Railgun se puede ajustar fácilmente, también tiene la ventaja de una aceleración continua en toda la longitud del riel. Cualquier suposición sobre la aceleración es nula sin considerar la longitud del riel y la velocidad de "bozal". La nave espacial debe tener su propio motor de cohete, por lo que también existe la duda de cuánto delta V proviene del arma y cuánto de la nave misma.
@Agent_L Si desea mantener viva a la gente (según las palabras "transbordador espacial" en la pregunta), debe mantener su aceleración por debajo de, digamos, 7 u 8 Gs. Eso significa que debe acelerar continuamente durante al menos 5 minutos, y su cañón de riel necesitará tener cientos de millas de largo. En este punto, también puede usar un motor de cohete.
@Tristan Es aún peor: los astronautas del transbordador espacial solo experimentaron 3 g durante el ascenso y el reingreso, los astronautas del Apolo experimentan 7,19 g solo en el reingreso. Muchos aviones de combate se limitan a 9-10 G durante unos segundos, con g altas sostenidas que causan apagones y, a veces, la muerte. Se ha medido que el límite del cuerpo humano es de alrededor de 42 g, pero eso fue solo brevemente y no fue un viaje cómodo, por decir lo menos (mataría a la mayoría de las personas, incluso con equipo especial, sin mencionar el estrés que genera la nave espacial).
@SnakeDoc Entiendo que experimente G alto en el ascenso, ya que están acelerando hacia el cielo, pero usted dijo "7.19 G solo en el reingreso", ¿por qué uno experimentaría un G alto en el reingreso? ¿La reentrada no se trata de una desaceleración controlada hacia el suelo?
@Dai, ¿qué es la desaceleración, sino un cambio de velocidad? y ¿qué es un cambio de velocidad, sino aceleración?

Para mantener la aceleración manejable, necesita un cañón de riel muy largo: digamos que se necesitan 8000 m/s de velocidad, 40 m/s 2 de aceleración (4G), eso es 8000/40 = 200 segundos de 'vuelo' en el riel. Son 800 km. Eso es imposible de construir en un ángulo de 45º (lo más alto que podemos construir es de unos 10 km), por lo que dictará un ángulo mucho menos profundo.

Esto ignora la carga de calor en la atmósfera, como dijo Uwe, es casi imposible acelerar una nave espacial a la velocidad orbital al nivel del mar sin que se queme.

También ignora el arrastre de la atmósfera: tan pronto como deje el riel, la nave espacial comenzará a disminuir la velocidad.

Incluso si se pudiera evitar quemar la nave espacial, después de dejar la atmósfera, la nave espacial habría perdido casi toda su velocidad inicial debido al arrastre de la atmósfera.
Ignorando la curvatura de la Tierra, un riel de 800 km a 45 grados te eleva 565 km, 5 veces más alto que la línea Karman. Me parece que lo que tienes aquí es un ascensor espacial.
@RogerLipscombe Con una inclinación de 45 grados, tal vez el término "escalera mecánica espacial" sea más adecuado.

45 grados probablemente no sea lo ideal.

... pero depende del diseño de su transbordador.

Para llegar a la órbita, debes ir rápido , no alto. Sin embargo, es difícil ir rápido a bajas altitudes porque hay mucho aire en el camino. Si vas más arriba, es más fácil ir rápido porque hay menos aire. Pero incluso después de salir del aire, todavía tienes que ponerte en marcha rápido.

La resistencia del aire es una fuerza (es decir, la aceleración) que escala la velocidad opuesta. Entonces, cuanto más rápido vas, más te empuja el viento hacia atrás. Esa resistencia también aumenta con la densidad del aire, porque un aire más denso significa que más moléculas de aire se interponen en el camino.

Si asumimos que su transbordador solo tiene un botón de "ir" en su propulsión, y luego proporcionará un empuje preestablecido, maximiza la velocidad que obtiene de ese empuje al minimizar la cantidad de fuerza que el aire aplica a su transbordador. Para la mayoría de los cohetes, eso parece lanzarse (casi) directamente hacia arriba, luego curvarse lentamente más y más hacia la órbita que desean. Para algo básicamente como un cohete, este es probablemente el método óptimo.

Pero su transbordador puede tener otras limitaciones. Tal vez lo esté lanzando súper rápido, pero tenga una manera de minimizar la resistencia lo suficiente como para que salga volando de la atmósfera usando la energía del lanzamiento, luego se dispare en órbita. Tal vez 45 grados sea tu elevación máxima, porque después te quedas sin montaña. Tal vez puedas lanzar el transbordador muy, muy rápido, y lo estás lanzando solo en órbitas elípticas (como órbitas no del todo Molniya). Puede haber varias razones por las que 45 grados es bueno para su aplicación. Sin embargo, en general, no esperaría que 45 grados sean óptimos.


El mejor manual que conozco sobre todo lo relacionado con el espacio es el manual de la Fuerza Aérea de EE. UU., que está disponible de forma gratuita: http://space.au.af.mil/au-18-2009/index.htm .

Si desea comprender las órbitas en detalle, incluido el acceso y regreso a la órbita, Comprender el espacio de Sellers es bueno.

Ignorando la atmósfera, digamos que estás lanzando desde la luna, el mejor ángulo para lanzar sería 0 grados.

De esta manera, puede acelerar a la velocidad orbital al nivel del mar y, además, lo que necesite para entrar directamente en una órbita de transferencia de Hohmann utilizando solo el cañón de riel. Después de esto, solo necesita una pequeña cantidad de combustible del propio transbordador para circularizar la órbita.

Lanzar en un ángulo más alto te hará alcanzar la altura de tu órbita deseada más rápido pero a una velocidad más baja. Lo que significa que obtiene menos energía del cañón de riel y necesitaría más del transbordador.

Como han mencionado otros, una vez que entra en juego una atmósfera, la idea de usar un cañón de riel se vuelve muy difícil.

Dato curioso: cuando omites la atmósfera, ya estás en el espacio a nivel del suelo.
@Klaws Dato curioso: la órbita no se trata de altura en absoluto. Se trata de la velocidad horizontal. También lo es escapar bien de la gravedad del planeta.

Como han mencionado otros, las órbitas pasan por el último punto donde una fuerza actuó sobre el cuerpo, por lo que un disparo en un ángulo de 45 grados (intentará) atravesar el suelo en el punto de lanzamiento en el mismo ángulo. Obviamente eso no va a funcionar porque hay mucha Tierra en el medio.

Ahora, ¿cuál es el mejor ángulo? Una vez más, debido a que las órbitas vuelven a pasar por el último punto de aceleración (sí, sé que siempre hay aceleración, sabes a lo que me refiero), tendrás que volver a acelerar una vez que estés en el espacio, o tu transbordador volverá a... entrar en la atmósfera y no alcanzar la órbita.

Por lo tanto, su objetivo debe ser llegar al espacio y luego encender los motores para acelerar a la velocidad orbital. El escenario ideal aquí es que dispare su cañón de riel a 0 grados (tangencial a la superficie) y apunte a que su punto más alto esté exactamente en el lado opuesto de la tierra, a la altura que desea orbitar. El problema con eso es que hay mucho aire en el camino, por lo que vas a atravesar el cielo como un meteorito durante cientos de millas. No es muy eficiente y es muy probable que destruya su transbordador.

Así que tratemos de minimizar la cantidad de tiempo de vuelo en la atmósfera. La mejor manera de hacerlo es ir directamente hacia arriba. Así que intentemos disparar el cañón de riel en un ángulo de 90 grados. Vas a volar muy alto en el espacio hasta llegar al punto más alto, donde quemarás tus motores hasta alcanzar la velocidad orbital. El problema con este escenario es que, en la parte superior de su vuelo, tendrá muy poca velocidad horizontal (habrá obtenido algo de la rotación de la tierra, pero debido a que está mucho más alto que la superficie de la tierra, y si no enciendas tus motores, la superficie te pasará y aterrizarás detrásdesde donde despegó). El resultado (¿entiendes?) aquí es que tienes que quemar más combustible para alcanzar la velocidad orbital que si hubieras disparado a la órbita de 0 grados para compensar la falta de velocidad horizontal (suponiendo que no hay atmósfera; es probable que no sea posible para lanzar a 0 grados con una atmósfera).

Así que vas a necesitar hacer algo en el medio. Encontrar ese intermedio es muy difícil; tendrá que equilibrar cuánto arrastre de la atmósfera está dispuesto a soportar frente a la cantidad de combustible que necesita para alcanzar la velocidad orbital. Cuanto menor sea el ángulo, menos combustible necesitará, pero más rápido tendrá que lanzar su transbordador desde el cañón de riel y más atmósfera tendrá que atravesar para llegar al espacio. Tenga en cuenta que cuanto más rápido lance el transbordador, más probable es que se queme en la atmósfera, y cuanto más combustible necesite para alcanzar la velocidad orbital, más grande tendrá que ser su transbordador y, por lo tanto, mayor será la resistencia. actuar sobre él en la atmósfera.

Finalmente, todo esto suponiendo que tienes un cañón de riel que puede disparar tu lanzadera para empezar. La cantidad de energía que se necesita para llevar un transbordador desde un punto muerto a la velocidad orbital es astronómica (perdón por los juegos de palabras). Gastar toda esa energía en un tiempo tan corto como el que está considerando requeriría cantidades ridículas de energía, y ese será probablemente su factor limitante cuando se trata de hacer que este plan funcione.

Es posible que desee intentar publicar esta pregunta en el intercambio de pila de física. Puede ser que alguien con mucho mejor conocimiento de aerodinámica que yo pueda al menos darle una mejor suposición. Habiendo dicho eso, voy a decir que, como suposición, es probable que necesites disparar casi directamente hacia arriba, si es posible, o te quemarás en la atmósfera.

No estoy de acuerdo con el objetivo de "minimizar la cantidad de tiempo de vuelo en la atmósfera" para minimizar las pérdidas aerodinámicas, porque eso equivale a lanzar verticalmente con la velocidad más alta disponible, lo que a su vez aumenta la resistencia aerodinámica ya que es proporcional a V 2 . Usando esa estrategia, minimiza la pérdida de gravedad (ya que se mueve a una altitud más alta en un tiempo mínimo) pero aumenta la pérdida aerodinámica. Lo que quería resaltar es que también hay una compensación entre esos efectos.

Como muchos antes que yo han comentado, existe una compensación entre ganar altitud (con el fin de reducir la resistencia y elevar el perigeo más alto posible) y ganar velocidad horizontal (reducir los requisitos de la nave espacial Delta-v a niveles manejables, elevando el perigeo real). Sabiendo que debe tener un cañón de riel muy largo para reducir las cargas G, en realidad puede modelar la ruta ideal de viaje de una manera muy similar a las trayectorias normales de lanzamiento de cohetes. Simplemente sustituiría la aceleración del arma por la aceleración creciente de los cohetes.

No veo que el costo de una estructura tan enorme sea menor que el costo de las ineficiencias de la ecuación del cohete en el corto plazo, especialmente considerando que necesitarías varias armas o una pistola giratoria para dar servicio a diferentes inclinaciones orbitales sin una enorme cantidad de naves espaciales. Delta-v.

Esencialmente, a pesar de lo inviable que es el proyecto y probablemente lo seguirá siendo durante bastante tiempo, podemos decir que la forma óptima de su arma no es una línea en un ángulo dado, sino una curva como un giro de gravedad.