Propulsión de arpón: ¿cuáles serían los problemas?

Imaginemos que finalmente hemos desarrollado una cuerda buckytube. Un par de cientos de kilómetros de cuerda, capaz de remolcar una embarcación de 100 toneladas con una aceleración de 6 g, en un paquete empacable en dicha embarcación.

Pasa un asteroide cercano a la Tierra. Se lanza una nave en una trayectoria de sobrevuelo cercana. Cuando se acerca el punto de sobrevuelo, la nave lanza un "misil", ya sea un impactador con un gancho estilo arpón, o algún tipo de red, o uno que podría crear un bucle... con la cuerda arrastrando. Atrapa el asteroide.

La embarcación desenrolla la cuerda de un carrete, mientras frena fuertemente el giro del carrete, de modo que la tripulación/carga útil pueda sobrevivir a la aceleración de la embarcación tirada por la cuerda y no rompa nada. Esto es hasta que el carrete se detiene o se desenrolla toda la cuerda (en cuyo caso se permite que vuele suelta con el asteroide, desenganchándose de la nave).

Después de que el carrete se detuvo, la nave se ancla al asteroide, habiendo ganado varios km/s prácticamente gratis.

¿Qué obstáculos (más allá de inventar una cuerda buckytube) podría haber detrás de tal método de propulsión? ¿Sería manejable la disipación de calor del freno? (digamos, algún tipo de ablator/sublimator, eso es un asunto único). ¿Tendría sentido ese tipo de propulsión?

El mayor problema con un sistema de este tipo, siempre que la ingeniería sea sólida, probablemente sea el tiempo y encontrar lugares a donde ir. Para hacer autostop, debes localizar, interceptar y capturar el asteroide. Entonces, el asteroide también debe ir a algún lugar al que quieras ir, ya que terminar en una órbita oblicua sería contraproducente. Puede requerir grandes cantidades de combustible para interceptar y hacer coincidir las velocidades con velocidades de supervivencia que no valen la pena.
@Dragongeek: no necesariamente: puede "soltar" el asteroide antes de igualar la velocidad al 100%; trate esto como una asistencia gravitacional, excepto que use la atadura fuerte en lugar de la gravedad débil del asteroide.

Respuestas (3)

Digamos que el cometa pasa a 10 km/s y la velocidad de su vehículo es 0. Entonces su sistema de propulsión tiene que entregar un delta-V de 10 km/s. Puede hacer esto quemando combustible para cohetes o con su arpón/cabrestante/sistema de frenos. La cantidad de energía cinética que tienes que generar/disipar es la misma en cualquier caso.

Primer paso: adivinar

Una nave de 100 toneladas requiere algo así como 2000 toneladas de combustible para cohetes para acelerar a 10 km/s (aproximadamente el rendimiento de un Saturno V).

Si nos limitamos a las temperaturas que se encuentran en los cohetes químicos, sospecho que su freno de cabrestante necesitará disipar suficiente energía para evaporar 2000 toneladas de agua.

Si puede usar temperaturas más altas, el sistema se vuelve más eficiente en masa, pero tendría que agregar un paso intermedio: convertir la energía del freno en electricidad y usarla para impulsar un motor de iones o un cohete térmico.

Segundo paso: calcular

La energía cinética de 100 toneladas que viajan a 10 km/s es 1 / 2 ∗ metro ∗ v 2 es 5 ∗ 10 12 J es 1.38 ∗ 10 9 ¿Qué? Esa es la cantidad de energía que tienes que poner para acelerar a 10 km/s, así que esa es la cantidad de energía que tu freno tendrá que disipar.
A 6 G, eso 1.38 ∗ 10 9 Se genera Wh en 166 (10.000 / 60) segundos, para una media de 30 GW. En la Tierra, ese tipo de disipación de energía requiere un río y docenas de torres de enfriamiento gigantes.

El agua requiere 2,2 MJ/kg para evaporarse, por lo que mi cálculo aproximado de 2000 toneladas fue exacto en un 10 %.

Con el lanzamiento, estamos limitados por el calor de combustión del combustible, su densidad de energía química. Con el frenado, solo con durabilidad estructural/térmica bajo calor: podemos usar cualquier método de disipación de calor y creo que muchos deberían ser un poco más eficientes que los motores de cohetes. Si tenemos alguna forma de descargar el calor en la creación de plasma de 50 000 K sin dañar la nave, todo está bien.
@SF. La disipación de calor es el problema más difícil en una nave espacial en este momento. En los cohetes químicos, la disipación de calor está integrada en el cohete como un sublimador. Su comentario sobre la termodinámica de las ondas manuales de plasma de 50000K.
@Aron: No termodinámica sino ingeniería. El dispositivo tendría que construirse casi en su totalidad a partir de campos magnéticos para no evaporarse. La energía podría transferirse por medios "fríos" como la electricidad en los superconductores o la energía cinética (digamos, rotatoria), pero tarde o temprano tendría que disiparse y luego comenzarían los problemas serios.
@SF. Sí termodinámica. Se llama la segunda ley de la termodinámica. Básicamente, las cosas calientes solo pueden calentarse más con cosas aún más calientes (o trabajo). Pero si tiene trabajo, es más eficiente impulsar su combustible usando trabajo, en lugar de expansión térmica.
@Aron: ¿Qué combustible? No tenemos propulsor de repuesto para expulsar. La idea general es una propulsión que no requiere una masa de reacción. ¡El plasma 50000K es un subproducto que queremos desechar de manera segura! (y tenemos mucho trabajo: la fuerza de frenado de cualquier freno, moviéndose contra la cinta).
@SF. ¿Qué es ese plasma del que hablaste entonces?
@Aron: Algún material ablativo permitió sobrecalentarse hasta ahora mediante la eliminación de la energía generada por el proceso de frenado. Sin embargo, principalmente, un dispositivo de pensamiento para mostrar la asimetría entre la propulsión química y el frenado ablativo no atmosférico. Una especie de sublimador que permitía funcionar muy, muy caliente.
Si puede crear con seguridad un plasma de 50000K para la disipación, también puede crear un motor que funcione a 50000K. Dado que ninguno de los dos está en el ámbito de lo que es posible ahora, estaríamos comparando dos dispositivos que no existen y no tienen una base teórica. IOW, no tenemos forma de verificar la validez de su premisa.
@Hobbes: además de la construcción del motor 50000K, se enfrentaría al problema de generar suficiente energía para generar cantidades significativas del plasma de 50000K (una fuente de energía increíblemente poderosa de densidad de potencia extrema) y luego dar forma a la salida de una manera útil (propulsivo). Aquí tenemos la energía, y solo necesitamos deshacernos de la salida (de manera segura, no propulsiva). En cuanto a la dificultad, es la diferencia entre tomar una tonelada de propulsor y construir un cohete apto para volar y quemar una tonelada de propulsor en el suelo de una manera que no mate a nadie.

En lugar de tener un solo arpón con un solo cable que tiene que lidiar con toda la enorme tensión, tal vez se podría usar toda una telaraña de hilos. Cada uno de los cuales se rompe en una serie de calzos relativamente moderados durante un período de tiempo durante el sobrevuelo rápido.

Un sobrevuelo muy cercano reduciría la longitud requerida de cables. Un gran problema es cómo colocar los arpones en la superficie del cometa. Pero los puntos de anclaje o las redes podrían ser precolocados por módulos de aterrizaje suaves que son más livianos, más lentos y lanzados para encontrarse con el cometa cuando es más accesible que cuando la nave espacial que luego usa esta instalación para la desviación y la aceleración pasa en su camino hacia el objetivo X.

Tal vez un activo de aterrizaje suave precolocado podría derretir su entorno en el cometa y expulsar gases en una corriente larga hacia la trayectoria de la nave espacial de sobrevuelo, brindándole aerofrenado a medida que se acerca.

Me imaginé un cuerpo con la forma de Chury, dos cohetes tirando de un tenedor de cuerda, atrapándolo alrededor del "cuello" y luego retorciéndolo (y entre sí) varias veces. Me pregunto qué tan viable es eso: en cuanto a rocas afiladas, la espuma de estilo epoxi puede hacer maravillas.
Los cometas parecen nueces podridas. Conchas duras pero solo papilla por dentro. Un lazo podría decapitar al cometa. Creo (o supongo) que un concepto similar al de un chicle distribuiría mejor la tensión estructural en la nave espacial y el cometa en el área y el tiempo. Pero los objetos que existen son individuales, algunos probablemente estén hechos de metal sólido.
El diámetro del cuello de Chury es de unos 2 km. 100 toneladas * 6 g - 600 toneladas repartidas en una superficie de 3,14 km de la mitad de la circunferencia del cuello "que soporta peso" - unos 200 kg por metro de longitud y definitivamente imagino que la "cuerda" es como una cinta (digamos, 50 cm de ancho ), no una cuerda, por lo que 400 kg por m ^ 2 en un eje de 2 km de espesor: dudo seriamente que la decapitación de Chury sea posible.
@SF No puedo estimar la magnitud de las fuerzas involucradas aquí. Pero a 400 kg por m², casi como la carga de un contenedor de transporte para el que se construye tierra endurecida, me temo que la fina corteza dura de un cometa podría romperse y dejar escapar los volátiles subsuperficiales que se subliman instantáneamente en un anillo explosivo. alrededor del "cuello" del lazo. Y desplazando los escombros sueltos casi sin gravedad y el polvo dentro de él en un cometa. Tal vez algunos cometas lo harían, otros no. Sospecho que son individuos con antecedentes de todo tipo.

Existe una alternativa que elimina por completo el problema de la disipación de calor. Aunque, tiene algunos problemas propios. Lo hace quitando el mecanismo de frenado y el carrete. La cuerda comienza completamente desplegada y perpendicular al vector de velocidad del objetivo. Ahora, cuando el arpón se ancla, la cuerda define el radio de un círculo, siendo toda la velocidad tangencial. La aceleración experimentada se puede calcular de la misma manera que para la gravedad de giro artificial. Ahora la nave está "orbitando" el objetivo.

ventajas

  • Si espera hasta que haya girado media vuelta y luego suelta, se moverá delante del objetivo con la misma velocidad que el objetivo se movía originalmente delante de él. El doble del delta V que es posible con el método de frenado. Esto es análogo a una honda de gravedad.

  • La energía se almacena en la rotación de todo el sistema. Si el objetivo es el destino, aún será necesario disipar la energía, pero no hay problema de que el objetivo se escape, por lo que la disipación puede ser lenta. El sumidero de energía más fácil es probablemente descargar energía rotacional en el objetivo.

  • El lanzamiento se puede programar para tener un componente de la velocidad fuera de línea con la trayectoria de los objetivos, lo que hace que el sistema sea más versátil.

Contras

  • Para una diferencia de velocidad y aceleración iniciales fijas, la longitud de la cuerda requerida para frenar hasta detenerse por completo es la mitad de la necesaria para girar alrededor del objetivo.

  • Es probable que el ancla deba ser más complicada, ya que la cuerda debe girar alrededor del ancla en lugar de simplemente tirar de ella. Esto es especialmente cierto en el caso de que el objetivo final sea detenerse en el objetivo. en este caso, el ancla debe configurarse para permitir la rotación continua.

  • El sistema de frenado puede ser demasiado corto para detenerse por completo y aun así dar algo de delta V, mientras que el sistema de giro no puede funcionar en absoluto si la cuerda no es lo suficientemente larga.

Propulsión de arpón: ¿cuáles serían los problemas?
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