¿Puedes repostar cohetes químicos para aumentar la velocidad?

Trabajas contra el mismo viejo problema de Tyranny of Rocket Equation, excepto que distribuyes el cohete, muchos más pequeños en lugar de uno enorme, enviando las muchas piezas que se encontrarán en el espacio más profundo. Sí, puedes aumentar la velocidad de esa manera. Y el aumento será pequeño, o el costo será prohibitivo. Después de todo, debe acelerar los cohetes que entregan combustible a la velocidad del "cohete final", ¿y con qué combustible?

Si, como en los cohetes normales, el 90 % de la masa de lanzamiento es combustible, el 5 % es carga útil (5 % de sobrecarga estructural) y desea que el cohete se reabastezca de combustible hasta el estado de lanzamiento, duplicando su delta-V, entonces debe enviar 18 cohetes de reabastecimiento de combustible con carga útil de combustible. ¿Quieres triplicar el delta-V? Cada uno de estos 18 cohetes de suministro debe reabastecerse de combustible en órbita antes de que pueda alcanzar el 'núcleo'. Cohete de un solo núcleo. Un reabastecimiento orbital para 2x delta-V - 18 cohetes, más un reabastecimiento 'sobre la marcha' - otros 18. Y 18 para cada uno de estos. En total, su delta-V aumenta 3x. Su número de lanzamientos - 361x.

Pero sí, un enfoque moderado y de término medio tiene sentido. BFR está previsto para el reabastecimiento de combustible orbital. Se lanza con un propulsor que es demasiado insuficiente para alcanzar la órbita, luego vuela a la órbita por sus propios medios, agotando la mayor parte de su propio suministro de combustible, luego recibe combustible de otros lanzamientos de BFR que usan el espacio de carga útil/pasajeros como tanque de combustible adicional (6 combustibles). se lanza, si la memoria no me falla) y luego está listo para partir a Marte.

El escenario exacto que describe no tiene mucho sentido. Si está comenzando en el espacio, no hay razón para no simplemente atornillar el camión cisterna a la nave espacial principal y usarlo como una primera etapa. Quema todo el combustible del camión cisterna y luego lo deja caer antes de comenzar a usar el combustible de la nave espacial principal. Dado que la masa de desechos del camión cisterna termina moviéndose más lentamente de esa manera, hay más energía disponible para acelerar la carga útil. Como estás en el espacio, puedes acelerar con bastante suavidad, por lo que "unirlos" no es demasiado difícil.

Es diferente si está lanzando desde la Tierra debido a las enormes tensiones asociadas con despegar del suelo y salir de la atmósfera. Todo el cohete debe diseñarse para hacer frente a eso, y diseñar uno más grande puede ser mucho más difícil que hacer múltiples lanzamientos (estilo BFR/BFS).

Sí se puede, pero no solo con cohetes químicos. La solución es enviar sus tanques de reabastecimiento de combustible al espacio profundo utilizando un motor eléctrico de alto isp, que requerirá mucho tiempo para llegar a su destino (a menos que sea alimentado por un reactor nuclear), pero dado que no están tripulados, la radiación cósmica/artificial no es un problema.

Parece que estás pensando en delta-v de la manera incorrecta. Si está pensando en analogías con automóviles, delta-v es más una medida de distancia que una medida de velocidad. Es el cambio de velocidad que necesita para pasar de A a B. Consulte el presupuesto delta-v en Wikipedia .

Entonces, si desea tener un viaje más corto a Marte (en términos de meses), debe hacer un viaje con más delta-v. Porque su velocidad de viaje es mayor en comparación con su velocidad inicial. (También tendrá que romper aún más hacia el final del viaje, lo que agregaría aún más delta-v a su viaje, pero es posible que pueda usar la atmósfera marciana para romper el aire).

(Juega algún programa espacial Kerbal y lo dominarás).

El factor limitante para viajar a Marte con cohetes no es que tengan muy poca aceleración per se (como parece implicar en su pregunta). El problema es que se quedan sin combustible demasiado rápido. Pero eso sí, cuanto más combustible lleves contigo, menos aceleración tendrás. La forma en que esto funciona aproximadamente en la práctica es que apuntas tu cohete en la dirección correcta, lo disparas durante un par de minutos, apagas los motores, luego esperas un par de meses, luego giras el cohete 180° y vuelves a encender los motores. durante un par de minutos para romper. Con suerte, todavía tienes suficiente combustible para entonces para regresar a la Tierra;)

Entonces, para responder a su pregunta: no, esto no funcionaría. Volviendo a las analogías con los coches: sí, un coche puede acelerar más rápido con el depósito casi vacío (ya que el peso total del coche, incluido el combustible, es menor). Pero enviar un camión de combustible detrás del automóvil y reabastecerlo de combustible a mitad de la aceleración no le ahorrará gasolina en total.

Sí. Aunque, como ya han señalado otros comentaristas, si lanzas el camión cisterna de reabastecimiento en un cohete, no ganarás nada.

La respuesta a esas preocupaciones es simple: lanzar el camión cisterna de reabastecimiento de combustible desde un cañón de riel. Debido a que el tanque de reabastecimiento solo contiene combustible, se puede construir para sobrevivir a fuerzas g mucho más altas que un cohete convencional.

Lanzar contenedores de repostaje con un cañón de riel es en realidad más práctico que lanzar el propio cohete con un cañón de riel: si está lanzando el cohete con un cañón de riel, necesita un cañón de riel mucho más largo para reducir las fuerzas G hasta el punto de que sean seguras para la tripulación y la carga útil Al lanzar los tanques de combustible por separado, con un cañón de riel, se usa significativamente menos combustible en general, lo que permite mayores velocidades para el propio cohete.

Nadie ha mencionado el problema de la desaceleración. Si pudiera, hipotéticamente, aumentar delta-V, o su cambio en la velocidad, a lo que quisiera, entonces aún enfrenta el problema de reducir la velocidad lo suficiente como para ingresar a la órbita. Tendrías que aumentar la cantidad de combustible que tendrías que quemar en la dirección opuesta para reducir la velocidad.

No soy un científico espacial. Pero he leído suficiente ciencia ficción para jugar uno en la televisión. De todos modos, no sé si Delta-V es la forma correcta de pensar en esto. Delta-V depende de la Gravedad que uno está experimentando (su delta V, proporcionada por Aceleración positiva, en magnitud suficiente para contrarrestar la aceleración negativa de la gravedad, comúnmente se da como -9.81 m/s^2). Delta-V representa la energía cinética del cohete, ($KE = \frac{1}{2}mv^2$) y el impulso ($p=mv$), que debe ser suficiente para escapar de un pozo gravitatorio.

Al mismo tiempo, delta-V no representa exactamente el cambio teórico en la velocidad del cohete real. Es realmente una forma de tomar un impulso específico y ponerlo en términos del cuerpo que un impulso específico está tratando de efectuar. No hay un delta-v específico que funcione para lograr esto. Por lo general, a los cohetes se les da fuerza en términos de impulso específico, que es más útil que esta medida "delta-V", que nunca antes había visto utilizada de esta manera, y creo que podría ser inapropiada.

Un cohete puede lograr un delta-v dado en un conjunto específico de circunstancias, pero otro en otro conjunto, los dos determinantes más importantes serían la gravedad y, por supuesto, la carga útil (o mejor aún, la masa total del cohete). Delta-V es solo el cambio en la velocidad que el cohete puede lograr para una gravedad y masa dadas.

donde$T(t)$es el empuje dependiente del tiempo (se supone que está en la misma dirección que la velocidad) y$m(t)$es la masa dependiente del tiempo del cohete a medida que consume propulsores.

Fuente

SpaceX propone hacer algo así para ir a Marte con el BFR . No se trata tanto de aumentar la velocidad (ya que el Falcon Heavy , mucho más pequeño , demostró que podía lanzar una carga útil hasta Marte), sino de la masa de la misión y el tamaño de un lanzador disponible. Tenga en cuenta que el programa Viking colocó dos módulos de aterrizaje en Marte, cada uno lanzado por un cohete mucho más pequeño que el BFR. Un viaje humano a Marte requeriría una enorme cantidad de suministros y equipos, mucho más de lo que podría lograrse con un solo lanzamiento de BFR. Entonces, SpaceX propone construir un camión cisterna; un lanzamiento de BFR solo tendría que elevar la carga útil requerida con destino a Marte a la órbita terrestre (el BFS), donde se encontraría con un petrolero botado en un segundo BFR. El BFS repostaría en órbita desde el petrolero para proporcionar el propulsor necesario para completar su misión.

Uno de los primeros (desechados) conceptos de Apolo también involucraba el encuentro con la órbita terrestre como una forma de eludir el límite de carga útil del lanzador disponible. Un inconveniente de este enfoque es la necesidad de lograr dos lanzamientos exitosos con el menor tiempo posible entre ellos, coordinados de tal manera que los vehículos puedan encontrarse fácilmente. El Proyecto Gemini mostró lo difícil que puede ser esto.

Además de los desafíos de coordinar los lanzamientos, SpaceX estaría abriendo nuevos caminos con un reabastecimiento de combustible en órbita, pero parece que están en el negocio de abrir nuevos caminos.

En cuanto a la pregunta delta-V en sí... reducir el tiempo de viaje a la mitad no es un beneficio significativo. Las ventanas de lanzamiento o retorno se abren con cierta frecuencia, por lo que una vez que se pone en una trayectoria de transferencia a Marte, se compromete a algo mucho más largo que el tiempo de viaje de 3 o 6 meses a Marte. Además, todo ese delta-V adicional deberá eliminarse cuando llegue a Marte, y si algo sale mal, aunque sea temporalmente, tendrá que hacer un viaje mucho más largo antes de volver a ver la Tierra. La transferencia de 6 meses significa que si falla la captura de Marte, debería regresar a la Tierra ("retorno gratuito") sin demoras excesivas.