La propulsión iónica sería la mejor solución para su futuro sistema de propulsión. Ya está en uso y ahora se están construyendo versiones más nuevas y potentes, como el X3 .

Aunque la propulsión iónica probablemente sería la mejor solución, es difícil obtener una respuesta detallada porque hay una serie de variables que deben considerarse relacionadas por la ecuación del cohete :

Δv = Ve ln(Mi/Mf)

Donde
Δv = el cambio de velocidad requerido
Ve = la velocidad de escape del escape del cohete
Mi = la masa inicial del vehículo con propulsor
Mf = la masa final del vehículo sin propulsor

El verdadero problema es la multiplicidad de supuestos que deben hacerse para llegar a una respuesta. Además de las variables anteriores, el tiempo de viaje y el destino también son parámetros clave.

Suponiendo que la relación Mi/Mf es 10 (90% propulsor, 10% cohete y carga útil) y la velocidad de escape es 20 km/s ref (el extremo inferior de los 20-50 km/s indicados)

Δv = ve ln(mi/mf) se convierte en 20000*In(10) = 46km/s

Esto debería ser suficiente para sus necesidades. consulte los enlaces delta V a continuación para ver ejemplos del delta V requerido para diferentes destinos. Una mayor velocidad de escape o relación de masa produciría aún más delta V, pero a expensas de empujar aún más hacia un territorio de rendimiento desconocido o una capacidad de carga útil cada vez más pequeña.

Un gran problema con la propulsión iónica es la gran cantidad de electricidad requerida. En el sistema solar interior esto podría ser proporcionado por grandes paneles solares, pero en el sistema solar exterior sería necesaria la propulsión eléctrica nuclear. Gama de cohetes de propulsión iónica que utilizan diferentes fuentes eléctricas

Delta V Enlaces
Transferencia planetaria delta V
Cerca de la tierra delta V
Delta V y requisitos de tiempo*
*Tenga en cuenta que el delta V de aproximadamente 10 km/s para entrar en órbita desde la tierra está incluido

En cuanto a los demás requisitos

Complejidad
El impulsor de iones es complejo pero prácticamente no tiene partes móviles excepto el propulsor y los ejemplos se han ejecutado durante períodos prolongados sin problemas. La matriz solar del sistema solar interno tampoco tiene partes móviles, por lo que es relativamente simple. El sistema solar exterior requiere propulsión eléctrica nuclear, que sería más compleja pero debería ser una unidad sellada.

Aceleración La
aceleración del motor iónico es muy baja pero es continua durante meses y es suave. Los cohetes químicos convencionales tienden a tener una alta aceleración y tiempos de combustión cortos (minutos)

Consumo de combustible y eficiencia
Los motores de iones son mucho más eficientes en combustible que los cohetes químicos convencionales en un orden de magnitud debido a su alta velocidad de escape. Pero todavía se necesitará mucho combustible. He asumido 90 % de propulsor y 10 % de cohete/carga útil arriba, pero el cálculo se puede hacer para cualquier relación de masa que desee ingresando diferentes números en la ecuación del cohete anterior.

Tipo de combustible
La mayoría de los motores de propulsión iónica actuales utilizan xenón como propulsor, pero son posibles otros propulsores y se han probado algunos. Para sus necesidades de repostaje, el xenón no sería ideal, ya que es posible que no esté disponible en el destino para repostar.

Sugiero que los diamantoides como Adamantane o Diamantane serían más adecuados. Estos son relativamente baratos en la tierra y se encuentran en el petróleo en cantidades muy pequeñas y probablemente podrían producirse en los sitios de destino con alguna ingeniería química adecuada, siempre que haya disponible una fuente de carbono, hidrógeno y energía. Se han examinado como combustibles potenciales para motores iónicos junto con varios otros, como se puede ver aquí .

Conclusión
El cohete propulsor de iones sugerido podría satisfacer sus necesidades y es una proyección realista de la tecnología actual. Pero se necesitaría mucha más investigación, especialmente en el desarrollo de los propios motores iónicos, los combustibles utilizados y los grandes reactores espaciales necesarios para el funcionamiento del sistema solar exterior.

Hay varios otros sistemas de propulsión actuales, futuros y especulativos enumerados aquí que pueden ser de interés, incluidos los impulsores iónicos.

Referencias generales
http://www.braeunig.us/space/ http://www.projectrho.com/public_html/rocket/mission.php#id--Hohmann_Transfer_Orbits http://ccar.colorado.edu/asen5050/projects/ proyectos_2001/stephens/termpapera.html

Recuerda que no es ciencia espacial (no, espera...)

Esta respuesta es una expansión de ciencia dura de esta respuesta . Lea esa otra respuesta para obtener una descripción del sistema que propongo, así como la justificación de su viabilidad técnica. Esa publicación también tiene muchos enlaces de referencia para varias decisiones de diseño. Resumiré el sistema aquí y abordaré numéricamente las preguntas planteadas.

Resumen del sistema

La fuente de energía es un reactor de fisión de lecho de guijarros. La fuente de combustible son gránulos de nitruro de uranio recubiertos con un moderador de carbono pirolítico. Estas pastillas de combustible se mantienen en "clavijas" de molibdeno en una geometría que las hará supercríticas si se coloca un reflector de neutrones fuera del reactor. El intercambio de calor se realiza directamente con el fluido de trabajo para ahorrar masa.

El fluido de trabajo es helio, que pasa a través del núcleo del reactor. La energía eléctrica se genera a través de una turbina de ciclo Brayton similar a una turbina de gas marina utilizada en los barcos, excepto que se reemplaza la cámara de combustión con el núcleo del reactor. El helio es comprimido por un compresor acoplado a la turbina generadora de gas en el núcleo, y luego se le permite expandirse sobre las turbinas generadoras de gas y de energía. El escape seguirá estando a ~700 K, y luego pasará por varios sistemas auxiliares para utilizar esta energía adicional. Luego, la energía restante del gas de escape se purgará al espacio a través de intercambiadores de calor y luego se volverá a alimentar al compresor. La energía de rotación generada por la turbina de energía se acopla luego a una dínamo eléctrica para generar energía para la embarcación.

El sistema de propulsión principal es un propulsor de chorro de arco magnetoplasmadinámico Lorentz Force Accelerator (LFA). El combustible de litio se ioniza y se introduce en una cámara de aceleración, donde se aplica una combinación de campos magnéticos y eléctricos. La corriente inducida en el plasma, una vez que la potencia de entrada está en el rango de MW, ayudará a mantener el campo magnético en el plasma mientras induce una corriente eléctrica en un cátodo de tungsteno-bario.

Especificaciones del Sistema

El reactor debe producir 300 MW de energía térmica. Esto es posible a partir de un reactor de lecho de guijarros, los chinos están construyendo un par de reactores de lecho de guijarros de producción de 250 MW en la bahía de Shidao . A partir de esta energía térmica, las turbinas generadoras de gas producen una potencia de 100 MWe con una eficiencia del 33%. Esto es equivalente a la potencia de salida de 4 turbinas de gas marinas GE LM2500 , que es la misma fuente de energía que un destructor de clase Arleigh Burke. El LM2500 tiene una eficiencia de alrededor del 40 %, pero estamos perdiendo eficiencia debido a que el núcleo del reactor está más frío que una cámara de combustión típica (nuestro núcleo es ~1750 K en comparación con ~2250 K en una turbina de gas marina). La estimación de la masa general del sistema para la parte de generación de energía es de 0,4 kg/KWe ( según una estimación de la NASA ), o 40 000 kg.

El tamaño del propulsor MPD es mucho más conjetural, ya que no se ha construido ningún propulsor del tamaño requerido. He estimado las características a partir de la información disponible en el laboratorio EPPD de Princeton. Este diseño requiere un solo propulsor de 7,5 kN a una tasa de consumo de combustible de 0,5 kg/s con un ISP de 15 km/s. Hay un modo ISP alto disponible en el que el empuje cae a 1 kN a 0,01 kg/s con un ISP de 100 km/s. La masa de la unidad propulsora es de 10 000 kg. Sinceramente, no tengo una buena base para esta estimación, pero es necesaria para proceder.

Seguridad de reactores

El sistema de energía de fisión de lecho de guijarros es intrínsecamente seguro. Hay varias vías para un accidente nuclear, las dos más significativas son una víctima por sobrecarga (Chernobyl) y una víctima por pérdida de refrigerante (Three Mile Island, Fukushima).

Una baja por dominación no es físicamente posible para un reactor de lecho de guijarros. La fuente de combustible utilizará uranio de bajo enriquecimiento, suficiente para lograr una masa crítica, pero lo suficientemente baja como para que haya interacciones significativas entre el U-238 y los neutrones en el núcleo. A medida que aumenta la temperatura de las pastillas de combustible, el U-238 se ve afectado por el ensanchamiento doppler, haciendo que absorba más neutrones. Esto reduce la cantidad de neutrones disponibles para causar fisiones en el U-235, lo que reduce la velocidad de reacción y reduce la entrada de energía. Por lo tanto, el núcleo se modera naturalmente a una temperatura superior controlada por la relación U-235/U-238, que se diseñará a 1750 K. A temperaturas por debajo de esta, con los reflectores (que se discutirán más adelante) en su lugar, la temperatura aumentará a 1750 K. A medida que aumenta el flujo de fluido sobre el núcleo y aumenta la eliminación de calor, la velocidad de reacción aumentará para mantener estable la temperatura, y esta potencia de salida es naturalmente controlada por la demanda. A temperaturas superiores a 1750 K, la potencia de salida disminuirá debido a la absorción de U-238 hasta que la temperatura se estabilice de nuevo en 1750 K. Por lo tanto, no hay control del reactor basado en humanos o computadoras.Una vez iniciado, simplemente emite energía a la velocidad con la que se elimina el calor del núcleo, moderándose a 1750 K. Este efecto es confiable; el modelado por computadora en Strydom, 2004 indica que la banda de incertidumbre durante una pérdida de enfriamiento forzado ascenderá a menos de 100 °C incluso para un reactor que se apague a plena potencia.

Aparte, deberíamos discutir la forma en que se inicia y se detiene el reactor. En el estado del núcleo construido, es subcrítico. El núcleo experimentará fisión a un ritmo muy bajo, pero se perderán demasiados neutrones al salir del núcleo como para que se produzca una reacción en cadena. Esto se cambia al rodear el núcleo con reflectores de berilio . Una vez que estos reflectores se colocan en su lugar, reflejan los neutrones de regreso al núcleo, además de ayudar a moderar los neutrones de alta energía producidos por la fisión. Como resultado, el núcleo será supercrítico y aumentará la temperatura hasta el límite superior descrito en el último párrafo. Al quitar los reflectores de berilio, el núcleo se puede apagar.

Una pérdida de refrigerante es la más peligrosa que queda. Sin embargo, la estrategia más simple para este riesgo es ignorarlo. En la Tierra, las bajas del reactor son costosas porque dejan una radiación con la que nadie quiere lidiar. En el espacio, probablemente a nadie le importe. Claro, pierdes el barco, pero la gente embarcaba muchas cosas en la Era de la Vela, mientras que los riesgos de perder el barco eran grandes. El transporte en el espacio tiene más en común con la Era de la Vela, con tiempos de viaje de un mes y bajas capacidades de carga, que con el transporte marítimo moderno.

Complejidad del sistema

Como se describió anteriormente, no hay ningún requisito para los sistemas de control del reactor en sí, solo la activación de un sistema de seguridad en caso de emergencia (quitar el reflector para el apagado). El sistema de extracción de calor de emergencia se activará automáticamente.

Los generadores de gas del ciclo Brayton se diseñarán para operar continuamente durante la duración de una misión. Ya, los barcos en el mar que utilizan turbinas de gas marinas operan durante más de 1 año sin que se abra el recinto de la turbina o el recinto del generador eléctrico. Las condiciones en el mar son mucho más desafiantes que en el espacio, con la sal y el agua presentes. El mantenimiento a largo plazo se puede realizar en un puerto (espacial) entre misiones. Además, la ventaja de operar varias unidades de turbinas en paralelo es que el propulsor aún podrá dispararse (si tiene un nivel de potencia reducido) si las turbinas están fuera de línea, incluso cuando solo una turbina esté operativa.

El propulsor MPD es, nuevamente, la parte menos desarrollada de este plan y la más conjetural, por lo que no puedo hacer ninguna declaración sobre su confiabilidad. Sin embargo, tiene la ventaja de no tener partes móviles; la energía se genera y transfiere a través del movimiento del gas, la corriente y los campos electromagnéticos.

Eficiencia energética y de combustible

Teniendo en cuenta los detalles anteriores, podemos calcular algunos tiempos de combustión y tiempos de viaje. Aquí hay una lista de delta-v necesarios para varias transferencias de Hohmann.

La ecuación del cohete de Tsiolkovsky se resuelve para la masa de combustible,$m_f$, por

Nuestros parámetros son$m_0$(masa sin combustible) es de 50 000 kg más el tamaño de la carga; y,$v_e$es 15.000 m/s o 100.000 m/s dependiendo del modo de funcionamiento del propulsor.

El tiempo de combustión se puede calcular dividiendo el combustible gastado por el caudal másico. Los caudales másicos se dan como 0,5 kg/s o 0,01 kg/s, según el modo de funcionamiento del propulsor.

A continuación se muestra una tabla para la masa de combustible requerida y los tiempos de combustión para varias configuraciones. Un delta-V de 3,0 te llevará a Marte o Venus, un delta-V de 8,8 a Júpiter y un 12,3 en cualquier lugar del cinturón de Kuiper:

Cargo (tons) deltaV (km/s) V_e(km/s) Fuel(tons)  Burn(days)
     1000        3.0         15         232          5
     1000        3.0        100          32         37
     1000        8.8         15         838         19
     1000        8.8        100          97        112
     1000       12.3         15        1334         31
     1000       12.3        100         137        159
    10000        3.0         15        2225         52
    10000        3.0        100         306        354
    10000        8.8         15        8020        186
    10000        8.8        100         924       1070
    10000       12.3         15       12769        296
    10000       12.3        100        1315       1522
   100000        3.0        100        3047       3527
   100000        8.8        100        9203      10652
   100000       12.3        100       13095      15156

Algunas cosas a tener en cuenta. El perfil de quemado óptimo (cuánto tiempo para quemar los propulsores y en qué modo) sigue siendo una pregunta abierta. Publiqué una pregunta sobre eso usando números similares a esta respuesta, pero no obtuve una gran respuesta. Podría volver a intentar esa pregunta más tarde. La razón por la que tiene que calcular el perfil de combustión óptimo es que el combustible tiene un costo. Si está moviendo 100,000 toneladas de litio en bruto desde la órbita de Marte a la órbita de la Tierra, su quema no solo lleva 10 años, ¡sino que también quema 13,000 toneladas de litio refinado al hacerlo! Eso hace que sea seriamente cuestionable si mover cargas a granel será rentable en su sistema solar. También tenga en cuenta que los cálculos anteriores utilizan un consumo de combustible del 100 %; debe dejar al menos algo en reserva, lo que reduce aún más la eficiencia del combustible.

No publiqué los puntajes por usar el modo de 15 km/s con cargas de 100,000 toneladas, porque el uso de combustible es ridículo. Tal como están las cosas, esos números están en toneladas de combustible de litio. Tenga en cuenta que las reservas mundiales de litio se estiman en alrededor de 34 millones de toneladas, por lo que puede ver cómo quemaría eso rápidamente.

Una gran pregunta abierta con este proceso es la disponibilidad de litio como combustible. Si se puede extraer en cantidades comerciales de las rocas espaciales, ese tipo de operación sería el equivalente a los petroestados aquí en la Tierra. Puede ser posible usar propulsores alternativos, aunque es probable que haya una pérdida de eficiencia. El neón, el argón y el xenón tampoco son muy comunes, pero la hidracina es otro posible propulsor. Podría ser que la refinación de hidracina en la órbita de los gigantes gaseosos sea la refinación de petróleo de su sistema solar en el futuro cercano.

Conclusión

Aquí hay un sistema de propulsión espacial que proporciona una capacidad razonable para atravesar el sistema solar utilizando tecnología que en su mayoría ya se ha demostrado en la actualidad. La gran excepción es la ampliación del sistema de propulsión magnetohidrodinámica a niveles de potencia de kN.

La mayoría de las quemas que puedas imaginar para una ópera espacial sublumínica ambientada en el sistema solar son factibles. La capacidad de carga es relativamente baja, con 100.000 petroleros (aproximadamente del tamaño de los grandes buques portacontenedores de hoy en día) probablemente inviables por razones de costo de combustible. Llevar 1000 toneladas de carga desde la Tierra hasta el Cinturón de Kuiper no es tan ineficiente; debe quemar el 14% de la masa de su carga en combustible, y la quema lleva medio año, pero ¿qué es medio año en comparación con la década o más que llevará costar allí?

Mientras tanto, un salto rápido a Marte podría realizarse en un tiempo relativamente rápido. Si omite una órbita de transferencia de Hohmann e intenta algo más, podría quemar más combustible para llegar a algún lugar más rápido. Por ejemplo, una quema máxima desde la órbita terrestre con 1000 toneladas de carga y 1000 toneladas de combustible en el modo de alto empuje puede llevarlo a la órbita de Marte en cuestión de días. Por supuesto, el problema es que tienes que parar. El punto que estoy tratando de hacer es que para las transferencias delta-V inferiores a distancias más bajas, esta nave espacial es lo suficientemente poderosa como para ignorar las transferencias de Hohmann e intentar alguna otra transferencia orbital que requiera más energía. Ahora, lo que podría ser esa transferencia suena como el tema de una publicación futura :)

Considere Beam Powered Propulsion para posiblemente eliminar por completo la necesidad de combustible. https://en.m.wikipedia.org/wiki/Beam-powered_propulsion

La energía necesaria para proporcionar empuje a su nave no se generaría en la nave sino en la órbita de los diversos asentamientos y se emitiría a la nave usando láseres o másers. El barco luego convertiría la energía del haz en empuje mediante el uso de una vela. Debido a que no se necesita combustible, la aceleración puede ser constante y se puede lograr una velocidad muy alta.

Es una tecnología bastante prometedora. Incluso con nuestro nivel actual de comprensión, ya estamos planeando hacer algunas cosas muy impresionantes con él, como enviar pequeñas sondas a otros sistemas estelares en tan solo unas décadas.
https://en.m.wikipedia.org/wiki/Breakthrough_Starshot
https://en.m.wikipedia.org/wiki/DEEP-IN

La tecnología actual nos permitiría usar láseres para impulsar la nave espacial Orion, más masiva, a Marte en un mes. Si hubiera un segundo conjunto de láser allí, también podríamos desacelerar la nave y hacer una entrega. No es mucho decir que esta tecnología podría usarse para el transporte dentro del sistema en su configuración futura.

La tripulación del barco solo es necesaria para el mantenimiento de las velas. Todas las reparaciones de los láseres y generadores son realizadas por los asentamientos.

Se está considerando una vela láser como esta para la misión de enviar una sonda al asteroide interestelar Oumuamua recién descubierto. Proyecto LYRA: https://arxiv.org/pdf/1711.03155.pdf

Bueno, el problema será que la mayoría de los sistemas de propulsión contemporáneos (o los del futuro cercano) tendrán un empuje bastante bajo. Y necesitas los pesados ​​radiadores para disipar el calor residual de tus reactores de antimateria.

Por lo tanto, construyamos aceleradores de masas. Habrá al menos unos pocos en órbita en sus puntos de origen y destino. Pagarías una tarifa, luego la cosa se orientaría de acuerdo con el vector de velocidad que necesitas y te dispararía al espacio.

El acelerador de masas es estacionario, por lo que puede tener enormes paneles solares y mucha energía. En este caso, toda la propulsión que necesita es corregir el rumbo y asegurarse de llegar al desacelerador de destino con la alineación adecuada (esto va a ser complicado...) para que pueda desacelerar su nave. Alternativamente, puedes desacelerar con una maniobra de tirachinas y/o un frenado atmosférico en el planeta de destino, que es mucho más difícil de pasar por alto...

EDITAR

Aquí hay un ejemplo de cómo funcionaría un acelerador de masas.

En 'La luna es una dura amante', Heinlein propuso que se instalaran cañones de riel en la luna. Estas serían armas electromagnéticas muy largas y de alta potencia. Dado que el objetivo (la tierra) siempre estuvo estacionario en la luna, podrían construirse permanentemente en la base de la luna y podrían tener millas de largo. La baja gravedad de la luna y la falta de atmósfera lo hicieron factible. Los mineros de la luna cargarían enormes cargas útiles de minerales en los trineos de armas, los lanzarían a la tierra, recargarían y lanzarían de nuevo. Los paquetes efectivamente no serían más que grandes rocas. Creo que hizo que las rocas entraran en la órbita terrestre baja, donde los remolcadores espaciales recogerían el material.

Sin embargo, cuando llegaran a la Tierra y entraran en la órbita terrestre baja, se estarían moviendo a una velocidad lo suficientemente baja como para ser simplemente basura espacial fuera de órbita. La atmósfera reduciría la velocidad de los paquetes, algunas franjas exteriores se quemarían, pero la carga útil básica caería en algún desierto, básicamente a velocidad terminal. Un gran golpe, pero no un daño generalizado. En este sentido, Heinlein probablemente se equivocó al usar las rocas como armas contra la tierra. No ganarían suficiente velocidad.

Las órbitas de Hohmann son el delta-V mínimo que se necesita para pasar de una órbita planetaria a otra. Estos se calculan en el Manual de Caucho Químico. https://en.wikipedia.org/wiki/Hohmann_transfer_orbit Estos toman mucho tiempo, algo entre el período orbital de los dos planetas. (Creo que usar la media geométrica lo llevará al estadio correcto)

Artículo aquí: https://en.wikipedia.org/wiki/Hohmann_transfer_orbit Tutorial sobre cómo calcular uno aquí: http://openmdao.readthedocs.io/en/1.7.3/usr-guide/tutorials/hohmann-transfer- tutorial.html

Velas ligeras: La luz ejerce presión. No es una gran cantidad. La luz del sol en un acre podría levantar un papel de fumar. Pero se sumarán .0001 g. Y el precio es correcto. Las maniobras se ponen interesantes. https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_sail

Sistemas de iones. Todo esto depende del uso de un metal fácil de ionizar y luego acelerarlo a alta velocidad. https://en.wikipedia.org/wiki/Ion_thruster El empuje de iones le brinda entre 7 y 12 veces más delta-V por kg de masa.

Barco antorcha. Vea "Double Star" de Heinlein y un montón de sus juveniles. Este era un reactor de fusión de hidrógeno, donde toda la energía (además de la energía parásita para hacer funcionar el reactor) aceleraba el helio. Esto hace que sea razonable ejecutar un 1 G hasta el final. La Tierra a Plutón en 17 días.

Periódicamente hay una tormenta de alboroto y plumas sobre alguien que descubrió un impulso 'sin reacción'. No compre acciones en ninguno de estos todavía.

https://en.wikipedia.org/wiki/RF_resonant_cavity_thruster

Consideración: Tienes una gran cantidad de dinero invertido en un barco. Debe explicar por qué usarán una forma lenta si otra forma les permite ejecutar más cargas. Este es un equilibrio entre los costos operativos y los costos de oportunidad perdida.

Por ejemplo, una órbita de transferencia de Hohmann perfecta es la mitad de una elipse que es tangente a la órbita del planeta inicial en un lado de la estrella y tangente a la órbita del planeta final en el otro lado. Pero con un poco más de combustible, puede llegar antes. Paralelo histórico: los barcos Clipper fueron diseñados para navegar RÁPIDO porque el primer cargamento de té de China/India obtuvo una gran prima en Londres. La fecha de inicio fue dictada por el clima y la cosecha. Llegar una semana antes podría hacer tu fortuna.

Por ejemplo, los grandes cargueros marítimos se mueven a unos 10 nudos. Moverse a 20 nudos reduciría el tiempo a la mitad, pero requeriría alrededor de 8 veces la cantidad de combustible. Además, transportaría menos porque necesita motores 8 veces más grandes y tanques de combustible 8 veces más grandes.

Tenga en cuenta que los diferentes sistemas de propulsión requieren una cantidad diferente de esfuerzo y entrenamiento para funcionar. Por ejemplo, las órbitas de Hohmann prácticamente no hacen nada. Tomar una siesta. La navegación solar o algo así como un barco con antorcha requerirá que alguien esté de guardia. No quisiera que todos se durmieran montando una bomba de hidrógeno continua en una botella.

Compare la transición entre los barcos de vela y los barcos de carbón. Navegar: generalmente más lento (pero vea clípers ...) pero combustible gratis. Carbón: más rápido, pero tenías que ir a donde pudieras conseguir más carbón. Puede que te diviertas con la economía en transición entre modos. El último barco de este tipo fue el Pamir. https://en.wikipedia.org/wiki/Pamir_(barco) que se hundió en 1957

No soy físico ni ingeniero aeroespacial, por lo que proporcionaré cifras que ya han sido calculadas previamente por otros con mayor destreza matemática.

La idea que encontré hace un tiempo mientras navegaba por la web es un concepto conocido como cohete nuclear de agua salada, fue teorizado por el Dr. Robert Zubrin y es uno de los pocos diseños que sabemos que puede ofrecer niveles de rendimiento de antorcha, y es ideal para viajes espaciales de aceleración constante.

Su funcionamiento consiste en un depósito de combustible compuesto por pequeños recipientes cilíndricos que contienen la solución de combustible nuclear envuelta en un moderador de neutrones de carburo de boro que evita que alcance una masa crítica mientras está almacenada. Para encender el motor, la solución de combustible nuclear se rocía en pequeñas cantidades a la vez en una cámara sin el moderador de neutrones donde alcanza una masa crítica y crea una explosión nuclear de detonación continua que impulsa la nave hacia adelante.

Ahora, la solución de combustible consiste en una mezcla de 2 % de tetrabromato de uranio mezclado con 98 % de agua, lo que significa que el propulsor se puede almacenar sin necesidad de refrigeración y el vapor creado por la explosión nuclear genera mucho empuje adicional.

Utiliza enfriamiento de ciclo abierto, por lo que no tiene una potencia limitada como otros conceptos de energía nuclear y puede producir clasificaciones de potencia de chorro en el rango de miles de megavatios.

Especificaciones generales teorizadas:

Masa total del motor: 33.000 kg (sin incluir la masa de combustible)

T/W: 40

combustible: tetrabromato de uranio de fisión

reactor: ciclo abierto con núcleo de gas

masa de reacción: agua

aceleración de la masa de reacción: aceleración térmica del calor de reacción

director de empuje: boquilla

potencia especifica: 0.8kg/MW

El rendimiento estimado para una embarcación que utilice combustible enriquecido al 20 % es el siguiente:

Velocidad de escape: 66.000 m/s

Impulso específico: 6.728 s

Empuje: 12,9 millones de N

Potencia de empuje: 425,7 GW

eficiencia de la boquilla: 0.8

caudal másico: 195 kg/s

El rendimiento estimado para una embarcación que utiliza combustible de grado armamentístico enriquecido al 90 %:

Velocidad de escape: 4,7 millones de m/s

Impulso específico: 479.103 s

Empuje: 13 millones de N

Potencia de empuje: 30,6 teravatios

eficiencia de la boquilla: 0.9

caudal másico: 3 kg/s

Entonces, en conclusión, se obtiene la eficiencia de un motor de iones con la potencia de empuje de una nave espacial del proyecto Orión sin mucha más complejidad mecánica que un cohete químico promedio.

Ahora, por supuesto, hay algunos problemas obvios con este dispositivo, ya que es una llama nuclear que arde continuamente con la intensidad de una bomba atómica. Los materiales requeridos en el motor tendrían que ser extremadamente fuertes y en los límites de vanguardia de nuestra metalurgia actual, a menos que desee reemplazar el motor después de cada viaje, sin embargo, no tendrían que ser increíblemente fuertes hasta el punto de lo imposible, porque mientras que la reacción inicial tendría lugar dentro de la cámara de reacción, el vapor en expansión empujaría al resto del combustible hacia el exterior haciendo que el cohete viajara en la réplica de la detonación principal que se produce en el exterior. Esto significa que la cámara de reacción no tiene que contener la detonación nuclear.

Ahora, aunque este cohete es tan poderoso que apenas notaría el costo del despegue, dejaría un cráter nuclear en llamas, por lo que se necesitarían otras soluciones, como tal vez hacer que la nave atraque en un puerto espacial orbital y el piloto llegue a la superficie por otro significa.

Si le preocupa que los gases de escape contaminen el espacio, no lo haga porque, siempre que no se cruce directamente con la superficie de ningún planeta, su velocidad es tan alta que excedería la velocidad de escape de los planetas y abandonaría la atmósfera tan rápido como entró. Y con el tiempo se difundiría de modo que los contaminantes se esparcirían por una gran distancia y eventualmente entrarían en concentraciones donde ya no serían dañinos.

¡¡¡Rastros felices!!!

fuentes:

http://www.projectrho.com/public_html/rocket/enginelist2.php#nswr

https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_salt-water_rocket

https://www.npl.washington.edu/av/altvw56.html

Por lo tanto, el tiempo de viaje en el espacio no suele ser una función importante de sus motores. En el juego de billar cósmico, estás atascado con las ventanas de lanzamiento y sus tiempos de viaje establecidos. Puede desviarse un poco de estos tiempos de viaje (10-20%), pero más allá de esto puede volverse muy, muy costoso desde la perspectiva del consumo de combustible. Desde el punto de vista científico, puedo derivar el movimiento interplanetario de las naves espaciales en términos de su velocidad, pero es un asunto de 3 o 4 páginas. No es muy útil aquí, creo, pero avíseme si desea que lo publique.

¡¡ Lo que sería útil es el Horario del Tren Cósmico !! Básicamente, hace exactamente lo que desea, mostrando los tiempos de viaje y las ventanas de lanzamiento de Mercurio a Júpiter durante los próximos 50 años más o menos. Incluso muestra los requisitos de combustible (deltaV).

También sería útil echar un vistazo rápido a la transferencia Hohmann , que las naves espaciales utilizan para viajar de un planeta a otro. El tiempo para hacer el viaje de ida es el "tiempo de transferencia". La cantidad de combustible requerida se mide por el "DeltaV" de la transferencia. Su eficiencia de combustible se mide por "Isp". Relacionando estos conceptos, se encuentra:

donde g0 es 9.81 m/s^2 (pronunciado 'gee not'), y en un buen futuro cercano (el próximo año) motor 'metalox' adecuado para viajes interplanetarios, podría obtener 375s Isp. ¡Asegúrese de que deltaV esté en m/s, no en km/s!

Finalmente, se necesita mucho combustible para aterrizar. Consulte los deltaV de órbita baja a aterrizaje en este mapa deltaV publicado en redit para obtener estimaciones razonables.

¡Buena suerte con la construcción de tu mundo!