¿Podrías llevar un Cessna desde la ISS a la Tierra?

El transbordador tenía un peso bruto vacío de 172 000 lb (78 000 kg) , y la única forma factible de perder los 27 724 kilómetros (17 227 mi) por hora de la velocidad relativa de la ISS es Aerobraking . Un Cessna 172 de cuatro pasajeros tiene un peso vacío de menos de 2500 lb (1136 kg).

Si bien usar un Cessna como vehículo de reingreso no sería práctico, la imagen permite explorar el concepto de un vehículo de reingreso ligero (a diferencia de ¿Qué tan posibles son los 'saltos espaciales'? ). Suponiendo que cambiamos el motor de gasolina del Cessna y reemplazamos la masa con combustible, luego amarramos algunos cohetes ( claramente una simplificación excesiva ) al avión para disminuir la velocidad orbital, tenemos un buen planeador con 2% de la masa y dos o dos veces más de la capacidad de planeo.

Si su piloto y pasajeros usan trajes espaciales para el viaje, no necesitará agregar masa para mantener el vehículo presurizado.

Entonces, ¿podría un vehículo de reentrada con alas ligeras usar cohetes para desacelerar y permitir la reentrada sin tener problemas de arrastre/calor? ¿Superarían los requisitos de combustible para desacelerar de manera segura los beneficios de crear un vehículo que no necesite soportar el aerofrenado de alta velocidad?

Editar Esta respuesta a esta pregunta se reduce a lo que es más económico; La masa adicional para el blindaje térmico del aerofrenado o la masa para el combustible para desacelerar. Había un comentario que abordaba esto, pero se eliminó.

Solo si tienes algún tipo de locos cohetes de fusión, en cuyo caso esta propuesta parece cada vez más kerbal.

Respuestas (3)

Podemos usar la ecuación del cohete para obtener una estimación de la cantidad de combustible que necesitamos para reducir la velocidad de la velocidad orbital a algo que pueda sobrevivir un Cessna.
La velocidad orbital es 7890 m/s. También necesitamos disipar la energía potencial que se almacenó como altitud: si disparamos el cohete a altitud orbital hasta que la velocidad del Cessna sea cero, comenzará a caer en caída libre y ganará velocidad nuevamente. Aquí está la velocidad ganada en una gota:
( 2 gramo h )
Partiendo de 200 km e ignorando las influencias atmosféricas, obtengo 1980 m/s. Si el cohete también tiene que frenar esa velocidad, el total Δ V es 9870 m/s. Usemos un Isp de 300 segundos (por ejemplo, el motor del cohete SpaceX Merlin) y una masa vacía de 1200 kg. Resolviendo la ecuación del cohete para darnos la masa inicial:
METRO 0 = METRO 1 mi 9870 300 9.81
Así que terminamos con una masa inicial de 34,3 toneladas.

Tendremos que elaborar un perfil de vuelo en el que ahorremos parte del combustible del cohete hasta que el Cessna golpee la atmósfera para que podamos evitar el exceso de velocidad y el sobrecalentamiento durante el descenso.

También necesitamos una estructura para transportar 34 toneladas de combustible, y el motor del cohete tendrá mucho más empuje que el motor Cessna original, por lo que es posible que tengamos que reforzar la estructura del Cessna para soportar las cargas. Se empieza a amontonar rápidamente, y empeora si se tiene en cuenta que esas 34 toneladas también hay que botarlas. Para levantar los 1200 kg originales, bastaría con un lanzador Soyuz. Con 34 toneladas, está más allá de los vehículos de lanzamiento más pesados ​​que tenemos actualmente.
Compare esto con un módulo de descenso Soyuz que pesa alrededor de 3000 kg. Claramente, el aerofrenado y los paracaídas conllevan una penalización de peso mucho menor que eliminar todo ese delta-V solo mediante empuje.

La carga de tensión estructural máxima del IIRC Cessna es de aproximadamente 1 g, y eso es para los elegantes Cessnas como el 441. En el momento en que reduce la velocidad orbital a velocidades subsónicas, la gravedad se hace cargo de la reducción de su altitud y golpea la atmósfera más densa de frente a velocidades que no podría. posiblemente tolerar. Desplegar un paracaídas de tamaño suficiente solo ayudaría a destrozarlo.
Es por eso que agregué un factor para eliminar cualquier ganancia de velocidad de la caída libre.
Está bien, pero eso ya está cerca de 1 g, por lo que la quema en el vector de desaceleración solo terminaría siendo más larga, lo que requeriría aún más masa de reacción porque solo una pequeña fracción de eso en realidad está reduciendo su órbita.
Te sorprenderias. Los aviones ligeros se estresan a +3,8 gy -1,5 g.
Los aviones ligeros de la categoría normal tienen un estrés de +3,8 g, pero si eliges un avión de categoría acrobático obtendrás +6 g y -3 g.
Supongo que necesitarías exactamente tanto combustible como el que usaste para ponerlo en órbita en primer lugar...
@TildalWave Piense por un momento, cómo es posible que esto sea cierto: "La carga de tensión estructural máxima de Cessna es de aproximadamente 1 g". Todos los pilotos ponen >2g en las alas durante el entrenamiento de recuperación de giro y muchos tiran de -3g a 4g haciendo acrobacias aéreas en un avión no acrobático. Adivina qué, esos aviones siguen volando.

Cessna está en el borde de la atmósfera donde su energía potencial es muy alta y debe disiparse de alguna forma (que los vehículos de reentrada disipan como calor) ya que la energía en este caso se conserva. No se trata de deslizarse por la atmósfera.

  • Durante el reingreso, el transbordador experimenta un estrés enorme que colapsaría Cessna.
  • Aunque Cessna se desliza a través de ella, eventualmente alcanzaría una velocidad hipersónica (la cápsula Apollo alcanzó un número de Mach casi igual a 36), lo que conduce a una onda de choque en la proa que, a su vez, provoca un aumento de la temperatura cerca de su extremo frontal que Cessna no sobreviviría (se derretiría o se convertiría en débil conduce al fracaso). Pero los vehículos de reingreso están protegidos de este calor intenso (lanzaderas que tienen tejas en la nariz).
  • Si el Cessna no está presurizado, se ejercerá más fuerza (debido a la gran diferencia de presión dentro y fuera del Cessna, donde la presión sería muy alta) sobre el cuerpo del Cessna, que no está diseñado para soportarlo.
Se usarían cohetes/combustible para reducir la velocidad orbital y proporcionar un descenso controlado durante 418 km (260 mi) para que no se sobrecaliente.
@JamesJenkins - Velocidad de la ISS en órbita . Y al Cessna no le importaría desmoronarse por aceleración o desaceleración. En cuanto a su estabilidad estructural, es lo mismo.
@TildalWave, si mantiene su desaceleración para decir medio g, no debería causar una tensión indebida en el Cessna. No sé cuál es el criterio de diseño, pero me imagino que fácilmente podría tomar 1,5 ge.
@JamesJenkins: es mejor que esos cohetes de desaceleración sean algo que aún no hayamos visto, de lo contrario, volará a través de su escape en una lata de frijoles horneados extremadamente carbonizados. Lo que no sería diferente sin los cohetes de todos modos, simplemente estás agregando peso innecesariamente y su energía potencial que necesitas para desacelerar. Y no tengo idea de dónde colocar los cohetes en un Cessna, o esperar que soporte su fuerza de aceleración, o de hecho su peso y arrastre que producirían, una vez que se acerque a la atmósfera inferior con mayor resistencia del aire y atracción gravitatoria .
@TildalWave Creo que tienes razón. Para cuando complete el diseño que está discutiendo, sería un vehículo de reingreso a prueba de balas que llevaría un Cessna revestido de espuma en su interior. Aquello podría funcionar.

Si bien un Cessna es extremadamente inverosímil, debido a una variedad de factores de estrés y temperatura, Burt Rutan desarrolló un medio para el descenso sin protección térmica.

El modo se denomina "modo volante" e implica una configuración de derivación alta en un fuselaje transsónico; SpaceShip One no estaba perdiendo velocidad orbital. SpaceShip One tenía una velocidad orbital muy baja, insuficiente incluso para calificar como una órbita en todos los términos, excepto en los más técnicos. El motivo del modo volante es que genera una gran cantidad de arrastre en una cantidad muy pequeña de material.

El Cessna propuesto no puede hacerlo, pero un modo de volante estilo SpaceShipOne podría, en teoría, hacer uso de los principios utilizados para eliminar la velocidad vertical con el fin de eliminar la velocidad orbital a través de un arrastre casi vacío; póngalo en modo de volante, mantenga el ángulo correcto y haga que el ángulo cambie continuamente a medida que se descompone en una elipse que impacta contra la Tierra. (Rutan ha hablado de esto en entrevistas). Así como un volante de bádminton golpeado hacia adelante a 80 millas por hora cae rápidamente a menos de 1 MPH y, al hacerlo, se inclina hacia abajo, también podría hacerlo una nave orbital.

El truco será mantener un coeficiente de arrastre que no provoque un calentamiento demasiado rápido, y un modo de volante adecuado teóricamente puede hacer precisamente eso... siempre que los ángulos sean correctos en la entrada inicial. Además, dado que el arrastre principal está detrás del centro de masa, debería, como con un volante de bádminton, mantener el ángulo correcto por estabilidad dinámica.

¿Existen pruebas o simulaciones de la velocidad orbital?
Rutan dijo que ha hecho algunas simulaciones... pero no es el objetivo del programa en SC por lo que se puede ver. Virgin Galactic tiene que ver con llevar a la gente a vuelos no orbitales.
Para la persona que editó todos los enlaces, agregaste algunos totalmente irrelevantes. No lo hagas. Mala forma y mala edición.
La velocidad orbital terrestre mínima es ~ 17,500 MPH. La velocidad máxima de Space Ship One fue ~ 2,100 MPH. Decir que SpaceShip One "estaba a una velocidad orbital muy baja" no es correcto, ya que nunca estuvo cerca de la velocidad orbital. Mis ediciones a este efecto fueron revertidas por el OP; ¿Se me escapa algo?
La velocidad orbital en este sentido se refiere a la dirección, no a la magnitud. Eso es lo que te perdiste, además desfiguraste las palabras en otros lugares mediante el uso de buscar y reemplazar.