¿Puede una nave espacial aterrizar en un cuerpo helado usando retropropulsión? ¿No se derretiría el hielo?

¿Puede una nave espacial, digamos el BFR de Musk, realmente aterrizar en la superficie helada de Titán, Europa o Encelado?

Me parece que los gases de escape calientes harían que la superficie se derritiera donde el cohete está tratando de aterrizar, haciendo difícil o imposible que se estabilice en la superficie. E incluso si aterriza, el agua se congelaría rápidamente y aprisionaría las patas del cohete, lo que dificultaría o imposibilitaría que despegara sin gastar demasiada energía.

Supongo que lo que se muestra en la imagen, en Europa, es engañoso...

BFR descansando verticalmente sobre una superficie helada con Júpiter al fondo

Esos cuerpos helados son muy fríos, la atmósfera de Titán es densa, pero la de la otra luna es muy delgada. La transferencia de calor es muy baja en una atmósfera delgada, el hielo no se derretirá. El hielo puede sublimarse parcialmente de sólido a vapor directamente.
El gas de escape está más caliente que el punto de fusión de muchos tipos de rocas o de la cubierta de acero de las naves no tripuladas de SpaceX. Confía en ser lo suficientemente rápido para no calentar los materiales hasta su punto de fusión.
@SteveLinton, la mayoría de estos cuerpos son pequeños o diminutos, por lo que el empuje durante dicho aterrizaje puede ser bastante bajo.
@SteveLinton La temperatura es alta en la cámara de combustión, pero debido a la expansión de la boquilla, puede ser sorprendentemente baja en el plano de salida de un motor optimizado para vacío.
No estoy seguro acerca de los detalles de ingeniería del BFR, pero el Módulo de Excursión Lunar dejó atrás sus piernas cuando salió de la luna. No querrás volver a subir con nada que ya no necesites. Así que no habría importado si se hubieran congelado en la superficie...
El 'Mundo de los Ptavvs' de Larry Niven imaginó a un explorador aterrizando en Plutón con un motor de fusión, encendiendo el nitrógeno congelado con el oxígeno congelado y viendo arder todo el planeta.
Poner fundas desechables en las zapatas de aterrizaje.

Respuestas (2)

Perdón por la extensión de esto, pero trae a colación algunos hechos y posibilidades interesantes.

Las lunas que mencionas, Titán, Europa y Encelado, son tres lugares muy diferentes. Titán tiene una aceleración gravitatoria superficial relativamente grande (en lo que respecta a los satélites) y una atmósfera muy espesa; Europa tiene una aceleración gravitatoria superficial relativamente grande y una atmósfera muy delgada; y Enceladus tiene una aceleración gravitacional débil y una atmósfera muy delgada. Esto hace que las técnicas de aterrizaje sean diferentes para los tres.

En Titán, la temperatura de la superficie es de ~95 K (-180 C), y en la tropopausa es de ~77 K, ¡realmente frío! Y la presión atmosférica superficial es de casi 1,5 bares, para una densidad de masa ~4 veces mayor que la de la Tierra. La aceleración gravitatoria es sólo ~1/7 de la de la Tierra. Dudo que intenten aterrizar en Titán con una nave espacial BFR como se prevé actualmente. La atmósfera fría y densa genera una tremenda velocidad de enfriamiento por convección, por lo que, sin un calentamiento prodigioso, muchas piezas de la nave espacial caerían por debajo de sus temperaturas mínimas permitidas, especialmente los componentes electrónicos expuestos y las piezas con lubricantes. Manejar el medio ambiente en Titán requeriría un rediseño extenso. La baja gravedad de Titán conduce a una altura de escala atmosférica muy grande, la distancia vertical sobre la cual la presión cambia por un factor de e. Combine eso con la alta presión superficial y obtendrá una atmósfera que produce una resistencia aerodinámica medible a casi 1000 km sobre la superficie (!), como verificaron Cassini y Huygens. Cuando finaliza la fase de desaceleración hipersónica/supersónica, todavía queda un largo camino por recorrer hasta la superficie, y eso lleva tiempo. La sonda Huygens tardó dos horas y media en bajar después de abrir su paracaídas, incluso con un cambio a un paracaídas más pequeño en el camino hacia abajo. Durante ese tiempo, la nave está expuesta a un enfriamiento convectivo aún más intenso. Dicho esto, la atmósfera de Titán y su baja gravedad facilitan la aeronáutica. Te permite deslizarte la mayor parte del camino hacia abajo en lugar de tener que quemar propulsores preciosos. Como se ha mencionado más arriba, la duración de la parte de la quema de aterrizaje con las columnas incidiendo en la superficie sería lo suficientemente corta como para que la cantidad de fusión fuera pequeña. Si las patas de aterrizaje realmente se adhirieran al material de la superficie, en su mayoría hielo, una rápida ráfaga de calentamiento eléctrico o químico en las almohadillas las liberaría. Hay todo tipo de otras opciones y cuestiones a considerar, tales como: uso de paracaídas o un paracaídas en el descenso; uso de un globo (¡realmente grande!) para el ascenso de salida inicial, de modo que la resistencia aerodinámica no cueste tanto en ∆v; y uso de propulsión de cohetes o aerodinámica para aterrizar. uso de paracaídas o paracaídas en el descenso; uso de un globo (¡realmente grande!) para el ascenso de salida inicial, de modo que la resistencia aerodinámica no cueste tanto en ∆v; y uso de propulsión de cohetes o aerodinámica para aterrizar. uso de paracaídas o paracaídas en el descenso; uso de un globo (¡realmente grande!) para el ascenso de salida inicial, de modo que la resistencia aerodinámica no cueste tanto en ∆v; y uso de propulsión de cohetes o aerodinámica para aterrizar.

La gravedad de la superficie de Europa es similar a la de Titán, pero la presión atmosférica de su superficie es 12 órdenes de magnitud menor , por lo que es un aterrizaje en el vacío. A una presión tan baja, el hielo no se derrite, se sublima, pasando directamente de sólido a gas, por lo que puede pensarse que se está ablacionando. Una vez más, la duración de la parte de la quema de aterrizaje con las plumas que inciden en la superficie sería lo suficientemente corta como para que la cantidad de ablación fuera pequeña. El principal problema en Europa es la intensidad de la radiación, mucho más intensa (uno o dos órdenes de magnitud) que los cinturones de Van Allen en la Tierra. La resolución de la imagen es demasiado baja para decirlo con certeza, pero parece mostrar personas (¡supongo que en trajes espaciales!) con linternas en la superficie fuera de la nave espacial. eso no es¡va a pasar! Otro problema es el ∆V requerido para esa misión, suponiendo que no sea unidireccional. Supongo que podría acoplar un grupo de tanques grandes a la nave espacial BFR para el viaje a Júpiter, la inserción en la órbita de Júpiter (tal vez las ayudas de gravedad de Ganímedes y / o Callisto ayuden allí), el bombeo hacia el enfoque de Europa (también con asistencias de gravedad), y Inserción en la órbita de Europa. Sin las ayudas de la gravedad, el ∆V sería imposiblemente alto, incluso con los tanques auxiliares. Los tanques se separan y se dejan en órbita Europa para el aterrizaje. Al regresar de la superficie, el BFR se volvería a conectar con los tanques no vacíos para el vuelo de regreso a la Tierra, lo que necesariamente implicaría más asistencias por gravedad. Todo esto tiene que suceder en un tiempo bastante corto o la radiación estropea todo.

Enceladus es un destino mucho menos exigente que Europa, excepto por duplicar la distancia heliocéntrica, lo que hace que los tiempos de vuelo sean largos (tal vez, además de los tanques auxiliares de propulsor, tendría algo de almacenamiento auxiliar de alimentos). La gravedad de la superficie es de solo 0,113 m/s^2, aproximadamente 1/81 de la de la Tierra, y la radiación es mucho más benigna. Similar a la aproximación a Europa, al llegar a Saturno e insertarse en la órbita (¿asistencia de gravedad o asistencia de aerogravedad de Titán?), se realiza un bombeo hacia abajo moderadamente intensivo en ∆V para la aproximación a Encelado y la inserción en la órbita de Enceladus. Pero a partir de ahí es mucho más fácil: el ∆V total desde una órbita circular de 100 km hasta el aterrizaje es de unos 200 m/s. Y la situación de la ablación del hielo es similar a la de Europa. ¿Podría ser un problema el rebote estilo Philae? aterrizar en una gravedad tan baja con una gran nave espacial? La región del polo sur es donde está toda la acción, donde las columnas expulsan el agua de mar evaporada de Encelado al espacio, por lo que es el lugar más atractivo para aterrizar. Pero con esas columnas que depositan capas gruesas de material esponjoso de granos de hielo en la superficie, es difícil saber cuál es la topografía de la superficie debajo de la pelusa, y eso es un peligro de aterrizaje.

Este es un problema para los tres destinos: encontrar el equivalente a un estacionamiento de automóviles para establecerse. Titán probablemente sería el menos arriesgado en ese sentido, pero no puedes establecerte en cualquier lugar. Hay cadenas montañosas escarpadas, lagos y mares, canales de ríos, etc. El único lugar donde sabemos que podríamos encontrar un lugar de aterrizaje adecuado es cerca del lugar de aterrizaje de Huygens. Para Europa y Enceladus también hay áreas escarpadas y otras áreas que parecen suaves y aptas para aterrizar en la resolución de las imágenes que tenemos. Pero el siguiente nivel de resolución podría generar sorpresas, similares a las que encontraron Armstrong y Aldrin al llegar al lugar de aterrizaje del Mare Tranquillitatis. Y si tiene relleno de pelusa de terreno accidentado, puede obtener otras sorpresas, en su mayoría desagradables.

Puede obtener una versión de alta resolución de esa imagen: livewallpaperswide.com/wp-content/uploads/2018/04/… , ¡y sí! Hay personitas diminutas caminando sobre una enorme capa de hielo perfectamente plana (!) en Europa. Pequeños muertos diminutos.
Una vez calculé que los humanos detrás de 100 milésimas de pulgada de aluminio (un estándar para medir los efectos de la radiación) recibirían una dosis letal de radiación a la distancia de Europa de Júpiter en unos 15 minutos. Y no estamos hablando de cáncer aquí. Estamos hablando de daño nervioso directo e inmediato letal, por lo que muere completamente en 15 minutos. Tal vez 30 minutos con la mitad de la radiación bloqueada por la propia Europa. Probablemente habrían sido asesinados mucho antes de eso en su camino a Europa.
Escuché hace unos 15 años que sin ningún tipo de protección (es decir, un ser humano desnudo) a la distancia de Europa, el tiempo para provocar una dosis letal por daño en los nervios es similar al tiempo que tardaría la exposición al vacío para matarte. Supongo que con el componente significativo de partículas de varios Mvoltios y decenas de Mvoltios en ese campo de radiación, el bremsstrahlung hace que el blindaje más allá de un nivel bastante masivo sea esencialmente ineficaz.
Interesante sobre esas personas diminutas que no las habían visto :). Estaría bien para Calisto, recibe menos radiación ionizante en la superficie que Marte, también más plano que Europa, que es uno de los objetos más ásperos del sistema solar. Cerrar con grietas, icebergs volcados, probablemente penitentes, y la impresión del artista sería suficiente. también para Calisto, que tiene la ventaja de no tener problemas de protección planetaria y ha sido propuesto como un buen sitio para una base humana en el sistema de Júpiter.
Calisto también tiene más sentido como parada para repostar. Aunque puede llegar a cualquiera de los satélites galileanos a través de sobrevuelos sin combustible adicional después de que Júpiter capture la órbita, puede llegar a Calisto con menos sobrevuelos que los demás. No veo nada en absoluto a favor de Europa para los humanos, y un gran aspecto negativo de la protección planetaria, contaminando los océanos de Europa con vida terrestre, por lo que probablemente solo encuentres la vida que trajiste allí tú mismo. ¿Por qué no dijo que era Calisto? ¿Porque más gente sabe dónde está Europa?
Buen punto sobre la temperatura mínima de funcionamiento. Creo que dependería del diseño del BFR, podrían diseñarlo para poder aterrizar en cualquier lugar con una capa externa aislante y la capacidad de mantenerse caliente, por ejemplo, con calentadores eléctricos si es necesario. Necesitaría un buen aislamiento térmico para el espacio para el rechazo del calor, de modo que, por ejemplo, pueda volar a Venus y Mercurio, suponiendo que pueda volar tanto hacia adentro como hacia afuera, ¿quizás los escudos de micrometeoritos de múltiples capas se duplicarían como aislamiento térmico? Ayudarían a atrapar una capa de aire alrededor del cohete, como en Titán, la pérdida de calor es por convección.
@Robert Walker, de hecho, Calisto es un lugar mucho menos exigente que Europa. La gente está enamorada de Europa porque la combinación de la magnitud de la gravedad y la relativamente baja profundidad del océano debajo del hielo significa que en el fondo del océano el agua sigue siendo líquida, no una de las formas de hielo de alta presión como el hielo V o el hielo VI. Esto significa que los nutrientes autotróficos, incluida la sal, pueden filtrarse desde el núcleo de silicato hacia el océano y convertirlo en un océano como el de la Tierra o el de Encelado, por lo que ocupa un lugar destacado en la lista de posibles moradas para la vida. Pero los humanos que van allí podrían llenar los océanos con, digamos, e. coli _ vergonzoso!
Solo en eso "La atmósfera fría y densa genera una tasa de enfriamiento por convección tremenda, por lo que sin un calentamiento prodigioso, muchas partes de la nave espacial caerían por debajo de sus temperaturas mínimas permitidas", permítanme citar al científico planetario Dr. Ralph Lorenz del Laboratorio de Física Aplicada en Johns Hopkins. Universidad aquí sobre el tema de la transferencia térmica en Titán entre el módulo de aterrizaje Huygens y la atmósfera espesa y fría: el mismo problema que enfrentó Huygens. A estas bajas temperaturas, la radiación básicamente no transfiere ningún calor.
La cita continúa: "La atmósfera es lo suficientemente espesa y fría como para que todas las superficies exteriores de Huygens se apagaran a unos 94 °K, o tal vez 96 °K, relativamente rápido. Huygens tenía una capa de aislamiento de espuma de 5 cm de espesor que básicamente limita la transferencia de calor. El interior era benigno, temperatura ambiente punto de congelación, algo así, y el exterior estaba a 94 ° K. Entonces, estaba perdiendo 350 W de calor para mantener ese diferencial. Cualquier sistema a largo plazo en Titán tiene que amortiguar esa pérdida, y eso es por qué los sistemas de radioisótopos son tan importantes porque tienen ese calor residual disponible".
La cita continúa "La solución de ingeniería es que usted aísle". youtu.be/fUE1_Gwhm3s?t=3676
También Julian Nott, de la Universidad de California, Santa Bárbara, dijo sobre el aislamiento de los humanos en trajes en la superficie de Titán: "la conductividad del gas cae bruscamente con la temperatura, por lo que el aislamiento de gas atrapado simple funcionará mejor que en la Tierra. Con un área de superficie de 2 m2 y aislamiento de 7,5 cm de espesor, la pérdida de calor debe ser de unos 150 W, que puede ser generado por la actividad de la luz. researchgate.net/profile/Julian_Nott/publication/…
Sí, conozco bien a Ralph y Julian, he trabajado con ellos diseñando los conceptos de la misión Titán. En cuanto al aislamiento: sí, esa es la respuesta obvia. Pero tal como está configurada actualmente, la nave espacial BFR no tiene tanto aislamiento. Para agregarlo se requieren paredes más gruesas, lo cual es un rediseño estructural bastante importante que aumenta la fracción de masa inerte. Es por eso que dije en mi respuesta que requiere un rediseño extenso. Utilizando el cálculo de transporte térmico de Julian, la cabina de la nave espacial BFR necesitaría ~40 kW de calefacción. No imposible, no insinué eso, pero un rediseño significativo.
Juro que cada vez que paso 5 minutos leyendo sus respuestas paso una hora en Wikipedia, ¡y me encanta! Deja de disculparte por las respuestas largas, es una bendición para las personas sedientas de información :).
Ah, en el BFR, entonces, para los humanos, solo el interior de las cabinas debe estar aislado, no es necesario agregar aislamiento exterior adicional. El aislamiento puede ser liviano, por lo que creo que es poco probable que la masa sea un gran problema. Y normalmente el problema es el rechazo de calor. Para la ISS, son 70 kW de capacidad de rechazo de calor, una mejora sustancial con respecto al sistema anterior de 15 Kw. nasa.gov/pdf/473486main_iss_atcs_overview.pdf Para el cohete en sí, es mejor mantener frío el combustible.
Es diferente si hay algo en el exterior del cohete que necesita mantenerse caliente. Tal vez la electrónica, por ejemplo. Aislada en el vacío por finas láminas, pero en Titán disipa demasiado calor. Supongo que el peor de los casos es que el BFR tiene que hacer funcionar calentadores para mantenerlo caliente... O. ¿Qué tal una especie de enorme lona que cubres después de aterrizar? Cubierta aislante, el primer BFR a Titan trae esto consigo, y lo usa para envolver el BFR mientras esté allí, o componentes críticos, después de todo, solo necesita el aislamiento en Titan. Y en la baja gravedad, fácil de implementar.

Probablemente va a ser menos preocupante de lo que imaginas. Los mundos helados de nuestro sistema solar esencialmente no tienen atmósfera, por lo que los materiales de la superficie se sublimarán directamente en vapor y se dispersarán en lugar de derretirse y congelar las plataformas de aterrizaje en su lugar.

Bastante poco de la superficie será perturbado para empezar. La expansión del gas que se produce en una tobera de cohete optimizada al vacío enfría sustancialmente los gases de escape; mientras que las temperaturas pueden exceder los 3000 K en la cámara, el escape puede estar muy por debajo de los 1000 K en el plano de salida de la boquilla.

El gas de escape será relativamente tenue por la misma razón y se dispersará rápidamente en el vacío, por lo que solo transferirá una pequeña cantidad de calor a la superficie en los pocos segundos de aterrizaje.

La observación sobre las toberas optimizadas para el vacío es cierta para Europa y Encelado, pero la presión superficial de Titán es casi 1,5 veces mayor que la de la superficie de la Tierra. Si intenta utilizar una boquilla optimizada para vacío en ese entorno sin agregar mucha masa en los refuerzos, el faldón de la boquilla colapsa. Incluso con los refuerzos, el rendimiento del motor se ve afectado, aunque con toda la asistencia aerodinámica disponible en Titan, el ∆V que necesitarías para aterrizar sería relativamente pequeño, y simplemente recibirías ese golpe.
En Titán, simplemente puede optar por no aterrizar en el hielo.
Hasta ahora no hemos visto evidencia de nada más que agua y materia orgánica en la superficie de Titán. Cuando se formó, los silicatos y los metales (materia pesada) se hundieron para formar el núcleo, y parece que ninguna convección fuerte (criovulcanismo) ha llevado nada de eso a la corteza de hielo. Los compuestos orgánicos son el resultado de la fotoquímica impulsada por el sol del metano (y algunas otras especies muy menores) en la atmósfera superior que llueve sobre la superficie, "tholins", como los llamó Carl Sagan. A temperaturas más cálidas, la mayoría sería gas, líquido o algo parecido a la grasa, nada mejor que el hielo para aterrizar.
El BFR podrá despegar y aterrizar en la Tierra, de hecho, comenzará construyendo un BFR antes de la primera etapa y dice que podrá ponerse en órbita (solo) por sí mismo. Por lo tanto, está clasificado para una atmósfera de presión completa. El propulsor de primera etapa aumenta su carga útil a la órbita en un orden de magnitud. space.stackexchange.com/a/24111/3038
De acuerdo, es probable que el hielo sea el material a granel con el punto de fusión más alto en la superficie de Titán. A menos que construyan una plataforma de lanzamiento de algún otro material.
¿Puede una nave espacial aterrizar en un cuerpo helado usando retropropulsión? ¿No se derretiría el hielo?
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