¿Qué se necesitaría para tener un vehículo como el transbordador espacial en el sentido de que podría lanzarse desde la Tierra y viajar por el espacio y ser reutilizable, excepto que también poseía la capacidad de aterrizar en la Luna y regresar a la Tierra? Estoy escribiendo una novela de ciencia ficción donde esto ocurre... solo necesito una idea teórica simplista para hacer que el viaje en el libro sea algo plausible, incluso si aún no es posible.
Siendo muy minimalista podrías lograr este viaje con los siguientes Delta V's.
Sumar todo eso nos da alrededor de 18 km/s de Delta V requerido. Sin embargo, ese es un presupuesto de Delta V muy minimalista, absolutamente sin espacio para errores o rutas no óptimas. No solo es eso, sino que el lanzamiento desde la tierra utiliza métricas para sistemas de lanzamiento densos, lo cual es muy optimista. El alunizaje también es muy estrecho, por lo que si las distancias se juzgan incorrectamente, la quema retrógrada desperdiciaría más combustible. Suponiendo que lográramos resolver esos dos problemas, el Delta V mínimo sería los 18 km/s mencionados.
Usando HydroLox Rockets, el ISP más alto de cohetes químicos jamás producido. Alrededor de 450s necesitarías e^(18/4,5)= ~55 . Eso significa que su cohete necesitaría una nave que pudiera transportar 55 veces su propio peso dentro de la atmósfera terrestre con al menos 1,5 G de aceleración. Los mejores cohetes que pueden proporcionar la aceleración requerida con combustible más fácil de manejar que el hidrógeno son tres veces más pesados que eso y los cohetes de hidrógeno normales actuales tienen entre 6 y 8 veces el peso objetivo, por lo que los combustibles para cohetes están fuera.
Si usamos motores NTR (Thermal Nuclear Rocket) con las especificaciones objetivo del proyecto Timberwind y considerando que los tanques de hidrógeno tenían una masa equivalente por volumen del Tanque Transbordador Externo íntegramente para H2. Tendríamos unas 150 Ton H2, 25 Ton por Tanque, 9 ton motores. Este es un cohete realista hasta el punto en que notamos que ignoramos todas las demás cosas necesarias como la navegación, los carenados de carga útil, todo el cableado, los escudos térmicos, los puntales de aterrizaje, las estructuras de control, etc. que decían que el Vac DeltaV es:
DeltaV =1000s*ln(184/34)=1,688*1000s=16,88 Km/s
Por lo tanto, el peso mínimo básico no es lo suficientemente delgado. Con un diseño diferente las cosas empiezan a verse mejor. Las porciones de alto empuje son tratadas por los motores NTR y de iones para la transferencia y el retorno lunar. Entonces necesitarías:
Alto empuje 9,2+1,7+1,7=12,6 Km/s = 72% peso
Y otros 12 Km/s para Transferencia Lunar de bajo empuje . (para algunas maniobras de bajo empuje necesita más Delta V)
A una velocidad de escape de 40 km/s, necesitaría más = 33% de peso
Peso total de combustible=1-0,28*0,67=0,79
El peso de la carga útil + el motor de iones está limitado al 3% (100%-18%-79%=3%)
Entonces asumimos 1 % de carga útil y 2 % de “motor”
Supongamos una densidad de alta potencia de 500 W/kg. Por cada tonelada de embarcación terrestre tenemos 20 kg de paneles solares+motor.
10 kw/tonelada. Eficiencia modesta del 50 % = 40 mg de escape/tonelada. Combustible agotado total = 70 kg
1,75 megasegundos = 24 días de empuje hacia la luna y de regreso (El tiempo real debería ser 2 o 3 veces mayor porque el orden en que se calculó no tuvo en cuenta el combustible a quemar en la luna. Para todos los demás propósitos los cálculos son correctos).
Hay algunas aproximaciones como que 1000 segundos no son 10 km/s sino 9,82 km/s, pero los resultados son bastante precisos en el contexto en el que se usaron.
Conclusión, con una mezcla de motores NTR y motores Ion, ignorando todas las demás cosas necesarias excepto la propulsión (lo suficientemente bueno para un libro con mejoras significativas pero bastante de ciencia ficción en la tecnología actual). O te detienes a mitad de camino para repostar. Leo antes de ir a la luna suena bien y con la tecnología actual debería ser factible.
Por supuesto, hay otras tecnologías de ciclo abierto que con suficiente dinero y una década podríamos hacer "fácilmente", pero liberar combustible nuclear en la atmósfera no es una buena idea.
Llegar de la Tierra al espacio es barato (por valores bastante grandes de barato... pero se ha demostrado que un misil (un ASM-135 ASAT) disparado desde un avión de combate ordinario (un F-15A "Eagle") puede hacerlo al espacio (y derribar un satélite allí ( https://en.wikipedia.org/wiki/ASM-135_ASAT ))). Permanecer en el espacio (alcanzar la órbita) es costoso. La mayor parte del combustible se consume para llevar el combustible al espacio (y que permanezca allí).
Necesitamos una fábrica de combustible en la luna (o en algún otro lugar cerca de la Tierra, podría ser un asteroide o lo que sea). Llegar al espacio desde la luna y permanecer allí (o ir a la Tierra) es jodidamente barato. Entonces, si podemos producir combustible en la Luna, podríamos establecer un servicio de transporte económico de la Luna a la Tierra. El Moon-Earth-Shuttle no aterrizará en la Tierra, pero puede recoger la carga útil que se lanza desde la Tierra al espacio. Dado que es más barato lanzar combustible de origen lunar al espacio que combustible de origen terrestre, este transbordador Luna-Tierra usaría este "combustible lunar" barato para frenar con fuerza cerca de la Tierra para recoger la carga útil y luego volver a acelerar para el viaje. de vuelta a la luna. Más barato de esa manera que acelerar la carga útil con "combustible terrestre" para llevarla a una órbita terrestre inferior.
Entonces tendremos dos naves espaciales, una Luna-Tierra-Transbordador y una Tierra-Espacio-Transbordador.
El Earth-Space-Shuttle podría ser un diseño convencional, o tal vez una nave espacial con energía láser. Una nave espacial con energía láser no necesita llevar consigo su combustible: el combustible permanece en la Tierra y la energía se "transmite" a la nave. Uno de los diseños actuales utiliza el aire circundante como masa de reacción. También hay otros diseños que llevan masa de reacción a bordo.
Nota: No he calculado las maniobras "orbitales" para el encuentro de entrega de carga útil. Tampoco es que no tenga idea de cómo "minar" (producir) combustible en la luna. LOX podría no ser un recurso natural en la luna :-). Pero aparentemente hay algo de agua ( https://en.wikipedia.org/wiki/Lunar_water - también consulte el párrafo de propiedad para algunas preguntas legales). Por otra parte, usar un asteroide como fuente de combustible también podría ser una opción ( https://www.space.com/1526-largest-asteroid-fresh-water-earth.html ).
Obviamente, el costo de instalación inicial de una fábrica de combustible en el espacio o en la luna sería enorme. Y esto todavía no responde a la pregunta de por qué alguien querría viajar a la luna (al menos ahora que la carrera espacial ha terminado). Oh, bueno, conozco la teoría de la base secreta NAZI allí, y que Hitler podría, debido al efecto beneficioso de la baja gravedad, seguir vivo allí. Pero estás equivocado. La base secreta NAZI está en Marte, que es un secreto muy bien guardado en todas partes (cuando los NAZI derribaron el Mars Climate Orbiter, la NASA incluso produjo una historia de portada cursi que afirmaba alguna "discrepancia de unidad" (lo cual es, por supuesto, totalmente ridículo - ¿Por qué alguien en los EE. UU. usaría un sistema de unidades obsoleto basado en el "Sistema Imperial"... alguien se perdió algo sobre el Boston Tea Party?)).
Tenga en cuenta que el OP específicamente no pidió una "respuesta científica dura", sino algo de inspiración para una novela de ciencia ficción "suave". Supongo que puedes averiguar dónde se desvía mi respuesta de la "verdad científica dura".
También tenga en cuenta que interpreto el requisito de una nave espacial reutilizable como la intención de construir una línea regular de transbordadores Tierra-Luna. De ahí mi idea de aceptar un costo de configuración inicial mucho más alto.
Otra idea para los lanzamientos desde la Luna fue un cañón de riel (o motor lineal), como en esta pregunta: ¿Podemos usar un cañón de riel en la Luna para lanzar cosas directamente a Marte? . Sin embargo, para un regreso "simple" a la Tierra, probablemente no tendría sentido invertir en un cañón de riel/motor lineal, ya que el lanzamiento desde la Luna para regresar a la Tierra es muy barato de todos modos.
lijat