Nave espacial reutilizable factible de una sola etapa

Ya que te has deshecho de La Tiranía de la Ecuación del Cohete al resolver el problema del combustible, puedes hacer esto de la forma que quieras. Varias tecnologías emergentes, o tecnologías que han fallado debido a algunas limitaciones que aún no podemos superar, pueden servirle aquí. Cosas como el motor aerospike (actualmente falla debido a los requisitos de refrigeración/material) pueden ser útiles para su diseño.

Yo abogaría por un avión espacial que despegue convencionalmente a una gran altitud, retraiga sus alas y se vuelva hipersónico por encima de Mach 15, luego "salte" fuera de la atmósfera y se dé un pequeño impulso de inserción orbital .

La nave espacial podría ser un vehículo aéreo electromagnético sin alas (WEAV) que se eleva ionizando el aire circundante y ganando sustentación. Detalles aquí y no todos los días la cita es para Scientific American sobre un platillo volador.

El platillo flotará y se impulsará usando electrodos que cubren su superficie para ionizar el aire circundante en plasma. Los gases (como el aire, que tiene el mismo número de cargas positivas y negativas) se convierten en plasma cuando la energía (como el calor o la electricidad) hace que algunos de los átomos del gas pierdan sus electrones cargados negativamente, creando átomos con carga positiva o positiva. iones, rodeados por los electrones recién desprendidos. Usando una fuente de energía a bordo (como una batería, un ultracondensador, un panel solar o cualquier combinación de los mismos), los electrodos enviarán una corriente eléctrica al plasma, lo que hará que el plasma empuje contra el aire neutral (sin carga) que rodea la nave, teóricamente generando suficiente fuerza para el despegue y el movimiento en diferentes direcciones (dependiendo de en qué parte de la nave)

Afortunadamente, la nave espacial de una sola etapa es un vehículo del futuro lejano con un posible sistema de energía de materia-antimateria porque eso resuelve este problema con WEAV. Por lo tanto, es razonable suponer que los problemas prácticos del uso de la antimateria como fuente de energía se han resuelto. Este vehículo está operando en un futuro lejano después de todo.

El mayor obstáculo para construir un WEAV lo suficientemente grande como para transportar pasajeros sería hacer que la nave sea liviana, pero lo suficientemente poderosa como para levantar su carga y su fuente de energía.

Un vehículo magnetohidrodinámico (MHD) similar se describió en un artículo "Cómo diseñar un platillo volador" del Dr. Richard J Rosa publicado en Analog y reimpreso en The Analog Science Fact Reader (1974) editado por Ben Bova. Eso sugirió que este tipo de nave podría producir grandes volúmenes de aire ionizado a baja velocidad para viajar lentamente y flotar, pero estrechar su entrada de aire para generar volúmenes más pequeños de aire ionizado a alta velocidad para acelerar a altas velocidades. El vehículo MHD propuesto por Rosa podría aterrizar y despegar al estilo VTOL, por lo que no necesitaría una infraestructura extensa.

Una nave espacial tipo WEAV podría acelerar a través del aire y, una vez que alcance la atmósfera superior, usar su sistema de energía de materia-antimateria para ionizar la masa de reacción, como el agua almacenada en los tanques de propulsión, para alcanzar velocidades orbitales para encontrarse con la estación espacial.

AÑADIDO A EDITAR

Una nave espacial de una sola etapa con una fuente de energía de materia-antimateria puede impulsarse efectivamente a cualquier velocidad que deseen sus operadores. Esto será más que suficiente para alimentarse durante un modo de vuelo WEAV. Los modos de vuelo del WEAV serán para propulsión en la atmósfera durante el descenso y el ascenso. Los aterrizajes y despegues serán VTOL.

Con una fuente de energía de materia-antimateria, esto generará mucha más energía de la necesaria para alcanzar la velocidad orbital. El uso de la aniquilación masiva directa de materia y antimateria para la propulsión produciría grandes cantidades de radiación gamma. Esto no está bien. Sin embargo, podría usarse fácilmente para impulsar un poderoso sistema de propulsión de cohetes.

Hay dos tipos de masa de reacción que puede utilizar el vehículo. Uno, como se sugirió anteriormente, es el agua. Dos, es aire líquido. El aire líquido podría producirse mientras aterriza la nave espacial. Esto asegura que el vehículo será más ligero durante su descenso planetario. El agua también podría recolectarse de la superficie del planeta. De lo contrario, tendría que ser transportado en los tanques de combustible del vehículo.

Cualquiera que sea el tipo de combustible para la masa de reacción, el procedimiento es el mismo. utilizando la potencia de salida de su sistema de materia-antimateria, la masa de reacción se ioniza y acelera por completo a través de potentes aceleradores magnetohidrodinámicos. En lugar de una velocidad de escape de 4 km/s de la masa de reacción ionizada acelerada de propulsión de cohetes químicos MHD podría tener un escape de 100 km/s. Esto significa que el vehículo consumirá mucha menos masa de reacción que un sistema de cohete químico.

El vehículo también podrá regular su tasa de aceleración, por lo que incluso el personal no capacitado podría volar este tipo de vehículo sin demasiada incomodidad o angustia. Esta podría ser una aceleración que se mantenga a no más de dos gravedades durante la fase de propulsión del cohete. Sin embargo, con motores tan potentes como estos sería fácilmente posible alcanzar índices de aceleración mucho mayores. Pero por el bien de su personal, la aceleración se puede mantener dentro de límites seguros.

El modo cohete MHD se usaría para aproximaciones a despegues y aterrizajes desde y hacia un planeta. Ya sea desacelerando o acelerando hasta la velocidad orbital, para viajar desde o hacia la estación espacial, el vehículo podría usar un sistema de propulsión de plasma con una aceleración de aproximadamente un centímetro por segundo cuadrado.

Esta versión de una nave espacial de una sola etapa está diseñada para aprovechar al máximo la capacidad de potencia del generador de materia-antimateria. Tiene tres modos de vuelo y propulsión: (1) tecnología WEAV plasma-lift para vuelo en atmósferas durante el ascenso y descenso. (2) Un sistema de propulsión de cohetes de masa de reacción totalmente ionizada de alto impulso mejorado por aceleradores MHD con una velocidad de escape de alrededor de 100 km/s. (3) Un sistema de propulsión de plasma para viajes interplanetarios a una aceleración de un centímetro por segundo cuadrado. También opera a niveles de fuerzas G que son seguros para el personal regular no capacitado.

En primer lugar, me imagino que los lanzamientos espaciales futuros medianos irán de dos maneras: una estructura masiva que transporta cosas al espacio como un ascensor espacial o un gancho aéreo , o un sistema de lanzamiento basado en tierra que proporciona la energía necesaria para el lanzamiento como un conductor de masa o lanzador de rayos . Estos no cumplen con sus especificaciones, pero la razón por la que los menciono es que si se vuelven factibles, probablemente reemplazarán el desarrollo de cualquier sistema basado en cohetes porque no están sujetos a la tiranía de la ecuación del cohete. Entonces, si desea un universo donde los cohetes avanzados sean la cosa, probablemente no debería tener ninguno de los métodos mencionados anteriormente, ya que superarían a dichos cohetes.

Ahora a los cohetes. La mejor idea que he visto hasta ahora es SABRE , que en realidad es solo una mejora marginal con respecto a un cohete químico más nuevo. También es importante que SABRE no funcione si su atmósfera no tiene la misma presión que la de la Tierra, y no funcionará si su atmósfera tiene muy poco oxígeno. Entonces no se puede decir que sea útil para todas las plantas/lunas terrestres.

Los cohetes nucleares no tienen lo que se necesita. NERVA fue lo más cercano a la operación que jamás haya existido un cohete de este tipo. Tenía una relación de empuje a peso de 1:5,2, por lo que no podía llegar al espacio. Los reactores nucleares son pesados ​​y estoy seguro de que ningún sistema de fisión podría tener un empuje de peso superior a 1. Para los cohetes de fusión, la mecánica es una incógnita en este momento, así que tampoco puedo decir si podría usarlos para llegar al espacio. . Los diversos métodos de propulsión electromagnética producen un gran impulso específico, pero a costa de un empuje bajo y un peso de empuje inferior a uno.

Entonces, en conclusión, no estoy al tanto de una tecnología propuesta que lo lleve al espacio desde un pozo de gravedad similar a la Tierra de manera mucho más eficiente que un cohete químico. Siento que para la ciencia ficción realista, la humanidad se dividirá entre los que viven en pozos de gravedad y los que no, y no habrá demasiado intercambio entre ellos.

Tecnología de propulsión

Ya se han mencionado los cohetes nucleares-térmicos, pero adaptemos eso más a su pregunta. ¿Dijiste que no hay límite tecnológico? ¡ Entonces vamos con un cohete Fusion -Thermal! Los principios de funcionamiento son los mismos: en lugar de quemar dos reactivos para el empuje, se pasa gas licuado sobre algo caliente para que se convierta en un gas gaseoso. La diferencia es nuestra fuente de calor (y nivel de calor).

El uso de su reactor de fusión en caliente de núcleo estelar como fuente de calor hace que las cosas sean mucho más eficientes: la temperatura más alta del plasma de escape significa que se está moviendo a una velocidad más alta y, por lo tanto, nuestro Impulso específico (kilometraje de gas para cohetes) es muy, muy superior. También abre una compensación interesante. Dado que nuestro reactor emite una cantidad fija de energía térmica por segundo, si hago funcionar mis motores en modo de bajo empuje, puedo obtener un ISP absurdamente alto. Esto se debe a que estoy poniendo una gran cantidad de energía térmica en una pequeña cantidad de combustible. Genial para operaciones orbitales, pero no tanto para lanzamiento/aterrizaje. Para eso, vertería más combustible en el cohete para una peor eficiencia pero un empuje mucho mayor.

En cuanto al combustible, solo puedes usar aire. Si está en una atmósfera planetaria, simplemente recoja lo que haya allí y páselo por encima de su motor; funcionará tan bien en atmósferas inertes como en las oxigenadas. Cuando esté en el espacio, confíe en un suministro interno de hidrógeno líquido. No es un gran problema porque probablemente necesitará maniobras de alta eficiencia de bajo empuje para operaciones orbitales de todos modos.

SCRAMJets son otra opción, pero que viene con algunos problemas. Solo funcionan a altas velocidades en la atmósfera terrestre y son muy intolerantes a las fallas. Esto tiene que ver principalmente con la forma de las ondas de choque para que permanezcan dentro del motor: hay algunos diseños especulativos para SCRAMJets de geometría variable que siguen siendo viables en un rango más amplio de velocidades aerodinámicas.

El problema es que los motores son pesados ​​y tienden a funcionar mejor solo en áreas específicas. Podría seguir agregando diferentes tipos de motores, pero eso agregará una gran penalización masiva. Los SCRAMJets tienen una pequeña ventaja aquí porque no requieren partes móviles, pero aún así deben tener una construcción muy robusta para manejar las fuerzas y las cargas de calor a las que están sometidos.

La artesanía en sí

El hecho de que estemos lidiando con un vuelo hipersónico y el reingreso limita mucho nuestras opciones de forma. Algo así como un cuerpo elevador X-33 Venture Star funcionaría bien en esos regímenes (y desea optimizarlo para esos regímenes, porque si no lo hace, destruirá su SSTO y tripulación. Los aviones espaciales de Avatar son - lamentablemente - otro buen ejemplo, pero no tan bueno como el primero, porque esas alas delgadas no son demasiado buenas para el vuelo hipersónico.

Si el diseño lo permite, tener motores basculantes en la nave funcionaría bastante bien para su requisito de VTOL. Sin embargo, los mecanismos para hacer esto agregan mucho peso, complejidad, fragilidad y requisitos de espacio al vehículo. Lo que haría sería montar mi(s) reactor(es) de fusión para que estén alineados con el centro de masa. De esta manera puedo ventilar el plasma de hidrógeno directamente hacia abajo para el empuje VTOL, y luego hacia atrás para el empuje hacia adelante.

Si desea la opción de varios motores y puede idear una forma de fabricar SCRAMJets de baja masa, puede incorporar algunos de ellos a la nave. Esto también depende de cuán poderosas sean sus unidades de fusión: demasiado buenas y la liberación de energía del hidrógeno quemado en su SCRAMJet las hará patéticas e inútiles.

Todo esto es muy especulativo, pero dijiste que no hay límite tecnológico. PD. Manténgase alejado de la antimateria. Suena genial, pero los problemas son casi demasiado numerosos para contarlos.

Para aterrizar en planetas sin infraestructura, la nave tendría que despegar y aterrizar como un helicóptero ya que no habría una pista disponible. Para volar a gran velocidad a través de la atmósfera, se necesitaría un diseño de 'avión' aerodinámico. Me imagino que tu nave se parecería a un saqueador de planetside2:

Las alas de esta nave giran, de modo que los chorros pueden apuntar hacia abajo para flotar o hacia atrás para volar. La ventaja de las alas es que la nave puede planear al volver a entrar en la atmósfera, eliminando la necesidad de combustible adicional hasta que llegue a tierra.

Como dijo Michael Karnerfors, un avión espacial es tu mejor apuesta. El problema aquí es el combustible:

Usando un combustible realista, esta nave necesitaría un nuevo conjunto de cohetes cada vez que quisiera volver al espacio. Según wikipedia :

Actualmente no se utiliza ningún sistema de lanzamiento orbital completamente reutilizable. El ejemplo más cercano fue el transbordador espacial parcialmente reutilizable. El orbitador, que incluía los motores principales del transbordador espacial y los dos propulsores de cohetes sólidos, se reutilizó después de varios meses de trabajo de reacondicionamiento para cada lanzamiento. El tanque externo y el marco de carga del vehículo de lanzamiento se descartaron después de cada vuelo. Sin embargo, actualmente se están desarrollando varios sistemas, al menos parcialmente reutilizables, como el Falcon 9 de empuje completo (primera etapa).

El falcon 9 es el único otro sistema reutilizable existente, sin embargo, no puede volar en la atmósfera (aparte de ir hacia arriba y hacia abajo).

Su mejor apuesta es algo así como el reaver, pero con un combustible futurista que es a la vez ligero y potente, y se puede obtener en la mayoría de los planetas para repostar después de aterrizar. (Tal vez algo radiactivo, sin embargo, esto puede dañar significativamente la atmósfera con la radiación).

EDITAR:

Suponiendo, como dice la pregunta, que haya un nuevo combustible futurista disponible, el diseño del reaver funcionaría bien. Un combustible futurista podría producir suficiente energía para entrar y salir repetidamente de la órbita sin necesidad de repostar o usar cohetes prescindibles.

La mejor respuesta general es que necesitará usar algún tipo de fuente de alimentación externa para proporcionar la energía necesaria para las operaciones de vuelo. La transmisión de energía térmica por láser o microondas para calentar y expulsar la masa de reacción, como el agua o el hidrógeno líquido, es una posibilidad a corto plazo, pero incluso con un ISP de 8-1200, probablemente estará estrictamente limitado a la cantidad de carga o pasajeros que puede transportar. llevar. También tiene el problema de reabastecer su nave con masa de reacción para cada vuelo y la infraestructura láser para proporcionar la energía (no solo el láser, sino también la infraestructura de seguimiento, los dispositivos de rechazo de calor y otros equipos auxiliares).

La respuesta de a4android proporciona una alternativa, y Leik Myrabo trabajó en variaciones de esta idea durante las décadas de 1980 y 1990. El empuje directo calentando el aire a plasma o el empuje indirecto usando aceleradores MHD en la superficie exterior de la nave se exploraron en varios niveles de detalle, y se lanzó un cohete impulsado por láser en un rango de prueba (el límite era evitar que el láser satélites "cegadores" que pasan por encima). Este video te da una idea de lo que se estaba haciendo.

Entonces, la respuesta corta es que existen tecnologías que pueden acercarlo a la meta que está buscando, pero generalmente requieren una infraestructura de energía externa para la propulsión. El vuelo dentro de una atmósfera no es un problema, pero el vuelo en el espacio libre o a una luna/asteroide sin aire aún requerirá el calentamiento y la expulsión de la masa de reacción, lo que lo limita a vehículos con ISP de entre 8 y 1200. (A modo de comparación, la mejor reacción química de H2 y O2 le da un ISP de 425-450. El transbordador espacial transportaba alrededor de 2000 toneladas de propulsor en el tanque externo y aún necesitaba dos propulsores de combustible sólido para ayudarlo a despegar).