¿Por qué las naves espaciales despegan con cohetes en lugar de simplemente ascender como un avión hasta llegar al espacio?

Supongo que no es una pregunta muy educada, pero nunca entendí por qué las naves espaciales tienen que dispararse y no pueden alcanzar el espacio simplemente continuando un ascenso hacia arriba como un avión.

Porque eso deja de funcionar una vez que te quedas sin atmósfera.

Respuestas (12)

Las aeronaves dependen de la sustentación generada al interactuar con la atmósfera y del uso del oxígeno atmosférico para quemar el combustible que transportan.

Las órbitas no son estables hasta que estás lo suficientemente alto como para que no haya suficiente atmósfera con la que interactuar, y mucho antes de que el contenido de oxígeno sea demasiado bajo para ser útil.

Entonces, para llegar a una órbita estable, eventualmente necesitarás cohetes. Los tipos de aeroespacio siguen buscando híbridos (respiración de aire, generación de sustentación mientras se está abajo y luego se cambia a cohetes cuando se llega realmente alto) porque parece una buena idea, pero hasta ahora la complejidad adicional no ha dado resultado. O bien el equipo de conmutación pesa demasiado, o el equipo adicional agrega demasiado riesgo de falla.

Quizás en el futuro.

Aún así, las naves espaciales podrían lanzarse desde un avión donde todavía hay oxígeno, lo que podría quemar menos combustible para cohetes. Costaría menos y sería menos arriesgado ya que no hay una plataforma de lanzamiento vertical, y el avión utilizado sería reutilizable, lo que no es el caso del transbordador, donde incluso se desechan cohetes cada vez (creo)
@jokoon: Las naves espaciales se lanzan desde aviones... y el sistema Pegasus resulta ser la forma más cara que existe de llevar la carga útil a la órbita, sobre la base del costo por kg. Las plataformas de lanzamiento verticales no son "riesgosas", y no se ahorra nada colocando el equipo de soporte de la plataforma en un avión gigante que tiene que volar antes del lanzamiento... y arrojar el cohete y la carga en algún lugar si hay un problema técnico que lo impide. lanzar. La reutilización del avión no significa nada... es solo una plataforma de lanzamiento aerotransportada (la altitud solo importa para los cohetes diminutos), y las plataformas de lanzamiento verticales también se reutilizan.

Por si sirve de algo, a pesar de que un cohete comienza su vuelo hacia arriba, una vez que ha viajado a través de la mayor parte de la atmósfera, pronto comienza a cambiar su dirección, de modo que pasa la mayor parte de su vuelo acelerando en la dirección "alrededor de la tierra" ( es decir, básicamente horizontales).

Además, para alcanzar la órbita, un vehículo tiene que alcanzar una velocidad lo suficientemente alta, o una altitud lo suficientemente alta, o una combinación lo suficientemente alta de velocidad y altitud. Un arma que dispare una bala horizontalmente a 20,000 mph sería suficiente. O dejar caer una pelota desde 20,000 millas de altitud también funcionaría. Ninguna de estas son combinaciones prácticas de altitud/velocidad.

A tu pregunta. No hay ninguna razón física fundamental por la que un "avión" no pueda volar al espacio. Una definición relevante aquí de "avión" sería un vehículo que:

  1. lleva su combustible
  2. recoge aire de la atmósfera a medida que vuela, y
  3. tiene alas que pueden generar sustentación

Tenga en cuenta que tanto un avión como un cohete generan su empuje exactamente a partir del mismo principio físico: acelerando y expulsando algo de masa.

Las razones por las que no ve un vehículo similar a un avión acelerar y ascender hacia el espacio son razones prácticas de ingeniería, no limitaciones físicas fundamentales. Aquí hay un concepto hipotético de "avión a órbita" que las leyes de la física permitirían:

  • Despegue de una pista, acelere y ascienda a 500 mph a 40 000 pies (hasta ahora, como un avión de transporte ordinario)
  • manteniendo una altitud de 40,000 pies, acelere de 500 mph a 20,000 mph

Ahora, estos son algunos de los impedimentos prácticos para que esto realmente sea un vehículo construible:

  • permaneciendo en la atmósfera de esta manera, cuanto más rápido vaya el vehículo, más arrastre experimentará. El motor tiene que generar suficiente empuje para superar la resistencia, más un poco más para acelerar el vehículo. Los motores a reacción comunes son lo suficientemente potentes como para hacer volar un avión a reacción común a 500 mph a 40 000 pies. Ir a 20,000 mph es 40 veces más rápido, lo que requerirá 40*40 veces más empuje, lo que requiere un motor que sea 40*40*40 veces más potente. Una ley física particularmente desagradable dice que la resistencia aumenta con el cuadrado de la velocidad (en realidad, esta es una simplificación que ignora las ondas de choque, ¡la realidad es aún más desagradable!) y la potencia requerida aumenta con el cubo de la velocidad.
  • construir un motor de respiración de aire convencional que opere de 500 mph a 2,000 mph es una gran proeza de ingeniería (el SR-71 Blackbird puede hacer esto). Lograr que un motor que respira aire funcione a 4,000 mph o 5000 mph aún no se ha logrado en la práctica (consulte la investigación actual sobre "scramjets"). Llegar a 20,000 mph es mucho, mucho más lejos que todo esto.
  • Incluso si pudiera acelerar así, se enfrentaría a un problema de calentamiento aerodinámico insuperable. Al igual que una nave espacial o un meteorito que ingresa a la atmósfera produce un calor al rojo vivo, su aeronave en aceleración experimentaría el mismo efecto.
  • Los combustibles químicos (hidrocarburos, hidrógeno, etc.) tienen una cierta cantidad de energía por unidad de masa, y los motores convierten una fracción de esta energía en empuje (la cantidad depende de varios detalles, pero una cosa con la que puede estar seguro es que 1 julio de combustible la energía siempre se convertirá en menos de 1 julio de energía propulsora (empuje por velocidad)). Rápidamente obtiene resultados tontos de sus cálculos: ¿qué sucede si necesita quemar un millón de libras de combustible para poner una libra de carga útil en órbita?

EDITAR para agregar: se pueden encontrar discusiones más avanzadas en el blog "Selenian Boondocks"; Comience con la publicación "Parte I: Air Launched SSTO" en la sección Metodologías de acceso orbital .

Acerca de su penúltimo punto: ¿los cohetes ordinarios no enfrentarían el mismo problema de calentamiento? ¿Por qué no se ven rojos cuando suben?
@timur: Tienen un problema de calentamiento, pero al subir en lugar de cruzar , no permanecen en la atmósfera por mucho tiempo. El cambio a través ocurre gradualmente, y en su mayoría más arriba que eso.
@dmckee: Muchas gracias por su respuesta. Tal vez entonces ayudaría si los aviones espaciales subieran directamente desde el punto en que arrancan el segundo motor más potente. ¿O contradiría todo el sentido de usar el aire tanto como sea posible durante su ascenso?
@timur: No es una idea estúpida. Cada vez que alguien escribe un informe sobre acceso económico a la órbita, hay un capítulo sobre sistemas de lanzamiento híbridos. Pero hasta ahora, los ingenieros siguen regresando para lanzar cohetes desde cero. De cara al futuro, creo que una de las empresas privadas realmente está buscando un avión para la primera etapa.
@timur para un cohete, la atmósfera no es más que un obstáculo, por lo que se eligen trayectorias para sacar el cohete de la atmósfera lo antes posible (es decir, suba hasta que despeje la mayor parte, luego vuelque). Para una nave que respira aire es una compensación, permanecer bajo en la atmósfera es bueno para su motor (más oxidante, por lo que se puede producir más energía) pero malo para su fuselaje (más aire significa más resistencia). Sin embargo, hay un problema aún mayor: la relación empuje-peso de los motores que respiran aire suele ser una penalización mayor que su mejor consumo de combustible.
También podría ser informativo leer sobre la "Carga del respirador de aire": islandone.org/Propulsion/SCRAM-Spencer1.html
Esto es tonto. El avión no tiene que alcanzar las 20000 mph y hay una razón física fundamental por la que los aviones no pueden volar al espacio. Requieren una entrada de aire en el motor y simplemente no hay suficiente para mantener las operaciones del motor incluso cerca del borde del espacio. Además, no puede inundar el motor con demasiado o muy poco aire, lo que significa que hay una velocidad máxima y mínima de la nave que proporcionará la cantidad adecuada. Lamentablemente, a gran altura, no hay suficiente flujo de aire sobre las alas para mantener la sustentación requerida dentro de estas velocidades y el avión se detendrá.

http://en.wikipedia.org/wiki/Pegasus_(rocket)
El Pegasus es un sistema híbrido de avión-cohete actualmente en uso.

Busqué este clip de Disney un tanto cursi de la década de 1950. Presenta una idea de avión espacial, pero, por desgracia, el avión despega como un cohete.

http://www.youtube.com/watch?v=rBgkrhnThek

Hay algunas razones por las que generalmente desea un vuelo en cohete. En un ascenso vertical despejas rápidamente la atmósfera. Dentro de los 90 segundos de vuelo del cohete, estás por encima del 90% del aire. El aire tiene fricción y generalmente no es de mucha ayuda para levantarte mucho. Los aviones pueden volar a un máximo de unos 30.000 m, y para el vuelo orbital hay que ir mucho más allá.

Es posible que se puedan colocar ramjets o scramjets en un cohete. Una vez que alcanza el nivel supersónico, estos podrían activarse y proporcionar empuje sin la necesidad de llevar un oxidante hasta llegar a unos 50.000 m. Las envolventes de vuelo de los aviones de combate modernos reflejan el límite de seguridad. Si enciende los quemadores posteriores y se acerca a la vertical, llegará al "borde del espacio". Por supuesto, los motores se apagarán y tu descenso será violento y mortal.

El negocio de los aviones espaciales es en gran parte una carga de BS. Estas ideas siguen surgiendo de vez en cuando y, afortunadamente, aún no hemos gastado miles de millones en un programa tan inútil.

que se parece más al transbordador espacial

Es porque las naves espaciales generalmente no están diseñadas para comenzar a regresar inmediatamente a la Tierra una vez que se agota el combustible, sino para haber alcanzado la velocidad de escape de 11,2 kilómetros por segundo en este punto. Entonces es capaz de orbitar la Tierra continuamente sin tener que usar más combustible en el caso ideal, por ejemplo.

En resumen: un cohete funciona intercambiando impulso, Y en la actualidad los aviones simplemente no tienen la capacidad de intercambiar suficiente impulso. En un cohete: tanto la masa del propulsor como la alta velocidad de su salida del sistema del motor le dan al cohete su impulso para impulsarse hacia el espacio. El propulsor (combustible) alcanza su velocidad quemándose con un oxidante en una cámara de alta presión que crea un escape de alta energía que luego se canaliza a través de una boquilla. Esta velocidad, junto con las propiedades de masa correctas del propulsor, proporciona la potencia o energía necesaria para llevar el vehículo al espacio. Un avión, por otro lado, requiere resistencia y sustentación del aire para impulsarse desde el suelo... y cuando la atmósfera se adelgaza... no puede intercambiar impulso.

La Fuerza Aérea de EE. UU. ha estado trabajando con aviones espaciales; sin embargo, debido al diseño, todavía necesitan un COHETE para llevarlos al espacio. Cosas bastante interesantes: si quieres leer un poco más...

http://www.spaceflightnow.com/atlas/av026/status.html

No. La mayor parte de la energía cinética de un cohete es lateral (8 km/s) para permitir que la nave espacial entre en órbita. Entonces, si desea su avión orbital, necesita un motor que pueda alcanzar hasta Mach 25 dentro de la atmósfera (para que pueda usar motores de respiración de aire relativamente eficientes), necesita: 1: un motor de respiración de aire de alta velocidad (un scramjet) 2 : un sistema de protección térmica (para evitar que la nave se derrita) y 3: un pequeño motor de maniobra orbital. Si desea obtener hasta 8 km/s fuera de la atmósfera, necesita usar cohetes (relativamente ineficientes).

La altitud más alta registrada para un avión a reacción es de poco más de 100.000 pies en números redondos. Para alcanzar la órbita terrestre baja, necesitaría alcanzar unas 100 millas de altitud o aproximadamente 520,000 pies. Como puede ver, un jet solo lo llevaría aproximadamente 1/5 del camino hacia arriba y necesitaría cambiar a una propulsión de cohete debido a la falta de oxigeno. Mi conjetura es que cambiar de un avión / jet regular a propulsión por cohete es una complicación adicional que podría hacer que sea más costoso que solo usar la propulsión por cohete.

El problema tiene que ver con la presencia de aire. Los aviones necesitan el aire por 2 razones: oxidante para el combustible que transportan para generar empuje y arrastre en las alas para producir sustentación. Sin aire, sin empuje, sin sustentación, sin vuelo. Entonces, obviamente, solo puedes volar tan alto hasta que comienzas a quedarte sin aire. Los cohetes necesitan ir más alto que esto y, por lo tanto, están construidos para funcionar sin aire. Llevan su propia combinación de oxidante+combustible (en cualquier forma, sólida, líquida) y en realidad estos propulsores ocupan mucho volumen (vea los enormes tanques en el transbordador espacial). ¡Lo cual es un problema porque el cohete tiene que atravesar el aire denso y allí genera mucha resistencia y los cohetes no necesitan resistencia para volar! Entonces, el cohete quiere atravesar la espesa atmósfera lo más rápido posible, lo que significa dispararse.

Simple, el avión simplemente no está diseñado para usarse en un entorno donde el aire no existe. Está justo ahí en su nombre, AIRplane. El avión necesita aire para funcionar, para el oxidante, el ascensor, etc., sin él simplemente fallará.

Si puedes crear una nave que no necesite aire para funcionar y que pueda crear suficiente sustentación para vencer a la gravedad (ahora mismo solo tenemos cohetes), entonces consigue una nave espacial. Probablemente en el futuro podamos crear una nave espacial que funcione bien en la atmósfera y el espacio, al igual que Halo, Starcraft o Warhammer 40k, pero en este momento está más allá de nuestra tecnología actual.

Si el cohete funciona, ¿por qué no usarlo?, o mejor aún, mejorarlo.

Existe una forma alternativa a los vehículos de vuelo en general: mediante el establecimiento y uso de un ascensor espacial . Esencialmente, la carga útil adquiere su velocidad orbital necesaria gastando energía para escalar un cable que conecta el ancla terrestre y un satélite geosincrónico. No se requiere necesariamente combustión, y la tasa de ascenso de la carga útil (y, por lo tanto, la potencia) puede ser tan baja o tan alta como se desee.

Es un desafío de ingeniería increíble con un gran riesgo, pero el enfoque no se ha descartado como una perspectiva futura.

los cohetes usan la tercera ley de newton para despegar esta ley es que para cada acción la reacción es igual y opuesta. si el cohete despega como un avión, el empuje se agotará demasiado rápido y, además, cuando se agote el combustible, los tanques de oxígeno se caerán. por eso los cohetes no despegan como los aviones

Despegar como un avión no usaría combustible demasiado rápido. Hay otros problemas, pero este no es uno de ellos.