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.
Dos problemas:
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.
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.
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.
... 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.
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.
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.
uwe
Cort Amón
Antzi
fectina
Stian Yttervik
MSalters
usuario16813
Trilarión