¿Qué tan cerca puedo estar del lanzamiento de un cohete y no morir?

El Instituto Americano del Petróleo, en su estándar 521, describe los límites de exposición del personal a la radiación de calor de las antorchas. Dado que los hidrocarburos y el hidrógeno se queman comúnmente y también se usan comúnmente como combustible para cohetes, los datos son relevantes. Esta publicación se utiliza en toda la industria petrolera en todo el mundo (y, por lo tanto, tiene un uso mucho más amplio que cualquier cosa producida por cualquier agencia espacial).

Estos son los límites de la edición de 1997 (un poco más fácil de interpretar para esta pregunta que la última edición ). Los números impares son el resultado de la conversión de números redondos de$\frac{BTU}{hft^2}$. A modo de comparación, la radiación solar es de aproximadamente 1$\frac{kW}{m^2}$.

9.45$\frac{kW}{m^2}$- La exposición debe limitarse a unos pocos (aprox. seis) segundos, suficientes solo para escapar. Puede considerar que la torre o la estructura proporcionen cierto grado de protección.

6.31$\frac{kW}{m^2}$- Acciones de emergencia de hasta 1 minuto de duración sin blindaje pero con ropa adecuada.

4.73$\frac{kW}{m^2}$- Actuaciones de emergencia de hasta varios minutos sin blindaje pero con ropa adecuada.

1.58$\frac{kW}{m^2}$- El personal con indumentaria adecuada puede estar continuamente expuesto

La última edición reduce los tiempos de 4.73 y 6.31 a 2-3 minutos y 30 segundos respectivamente, y bastante inútil desde el punto de vista de esta pregunta, no especifica ningún tiempo para$9.45\frac{kW}{m^2}$.

Tomemos un ejemplo con un motor popular. Según Wikipedia, un motor SpaceX Merlin 1-C tiene un empuje de$420000 N$y una velocidad de boquilla de$2600 \frac{m}{s}$a nivel del mar, lo que supone un consumo de combustible de$\frac{420000}{2600}=161\frac{kg}{s}$, aproximadamente dos tercios (en masa) de los cuales es oxígeno. El resto (digamos$50\frac{kg}{s}$) es queroseno. El Poder Calorífico Inferior (es decir, sin considerar el calor recuperable por condensación del agua producida en la combustión) del queroseno es de aproximadamente$43\frac{MJ}{kg}$por lo que la potencia de un merlin 1-C es de aproximadamente$43 \times 50 = 2150\ MW$o$2150000\ kW$.

Supongamos que queremos en el$6.31 \frac{kW}{m^2}$distancia y suponga (como lo hace el estándar API 521) que la radiación de una fuente de combustión es idéntica en todas las direcciones. Para simplificar el cálculo, supondremos (por ahora) que la emisividad de la fuente de combustión es 1: es decir, radiación perfecta.

Ahora necesitamos calcular el radio de una esfera tal que$6.31 \frac{kW}{m^2}$la radiación será experimentada desde una fuente puntual de$2150000\ kW$. Tal esfera tendrá un área de$\frac{2150000}{6.31} = 340729\ m^2$. Como el área de una esfera es$4\times \pi\times r^2$, esto da como resultado una distancia de 165 m.

Dos cosas más a considerar: Primero, un vehículo de lanzamiento Falcon 9 tiene 9 motores, no uno. Para tener esto en cuenta, tenemos que multiplicar por$\sqrt{9}=3$así que tenemos que estar en$165 \times 3=495 m$distancia. (Digamos, 500m.)

En segundo lugar, la emisividad puede ser un poco menor que 1 (los valores para la combustión con oxígeno son difíciles de obtener), pero debido a la ley del cuadrado, no habrá mucha diferencia. El humo opaco puede marcar una gran diferencia en la emisividad, pero la mayoría de los cohetes se queman limpiamente una vez que se alejan de la plataforma de lanzamiento. Un valor bajo para una antorcha sin humo que quema hidrocarburos pesados ​​sería 0,25 ($\frac{1}{4}$) por lo que si esto fuera aplicable a un cohete, la distancia se reduciría a la mitad para$250 m.$

Creo que sobrevivirías presenciando el lanzamiento de un Falcon 9 con una radiación máxima de$6.31 \frac{kW}{m^2}$, aunque muy posiblemente con quemaduras importantes. Es un tiempo bastante corto antes de que el cohete esté bien alejado de la Tierra, pero sería cálido e incómodo (doloroso) con 6,31 veces la radiación solar en la cara. No me sorprendería que te dieras la vuelta y corrieras.

La mayoría de los propulsores no son tan tóxicos. Quizás los peores gases de escape serían los de los propulsores de cohetes sólidos del transbordador espacial, que producían óxido de aluminio en forma de polvo blanco fino que sería muy malo para los pulmones. Sin embargo, estoy bastante seguro de que la radiación de calor seguiría siendo el factor limitante.

EDICIÓN 1 : El lanzador Soyuz tiene cinco motores (de boquilla cuádruple), de 813 kilonewton de empuje y$2.4\frac{km}{s}$velocidad, dando un consumo total de propulsor de$1694\frac{kg}{s}$. Eso es marginalmente más que el$9 \times 160 = 1440\frac{kg}{s}$utilizado por el Falcon 9. Por lo tanto, encuentro la afirmación en los comentarios de que el lanzamiento se puede ver desde$400 m$sorprendente, aunque no entra en conflicto con una emisividad de$0.25$. La emisividad es algo desconocida, y la nube de escombros y vapor en la plataforma de lanzamiento protegería al observador de la radiación de calor hasta que el cohete ganara algo de altura. Todavía está más cerca de lo que me gustaría estar de un lanzamiento.

EDIT 2 Recibo comentarios de que mis cálculos térmicos son una sobreestimación. He comprobado la liberación de energía general y eso al menos es correcto. Así que veamos qué puede estar mal:

1. El modelo de radiación esférica es una simplificación excesiva. De hecho, la mayor parte de la radiación será hacia abajo, por lo que en realidad aumentaría la energía térmica que siente un observador en el suelo.

2. No tomé en cuenta por separado la energía convertida en empuje. Wikipedia indica alrededor del 60% de eficiencia, dejando un 40% de energía disponible para la emisión. Verifiqué esto con mi propio cálculo de expansión:

Presión de la cámara$6.77\ MPa$(Esmerejón)$5.85\ MPa$(Soyuz): considerar$60\ atm$(aprox.$6\ MPa$) por conveniencia.

Relación de calor específico: Tanto el CO ₂ como el H ₂ O están alrededor de 1,3.

Calor no convertido en empuje =$\frac{T2}{T1} = 60^{\frac{1-1.3}{1.3}} = 0.389$

Esto es sorprendentemente cercano al valor de eficiencia de Wikipedia.

Dada la incertidumbre general de los valores de emisividad, no considero que un factor del 40% sea particularmente significativo.

3. Después de pensarlo un poco, se me ocurrió que quizás la diferencia más importante entre una bengala (con la que estoy muy familiarizado como ingeniero de combustión en la industria petrolera) y un motor de cohete (con el que tengo que admitir que estoy menos familiarizado) es la mucho mayor turbulencia con el aire ambiente. Esto puede conducir a una mezcla mucho mayor y, en consecuencia, a una emisividad más baja.

Soy reacio a hacer otra conjetura sobre la emisividad, pero si fuera tan bajo como$\frac{1}{25}$(¡Eso es solo el 4% del calor liberado que se convierte en radiación térmica!) Mi estimación de la distancia mínima no fatal de un Falcon 9 sería$\frac{500}{\sqrt{25}}=100\ m$(a qué distancia su audición se dañaría gravemente).

Es notable que esto no es muy diferente del radio de la nube de polvo y vapor que se forma en la plataforma de lanzamiento. Esa nube de escombros debe estar bastante caliente (todo ese calor que no se irradia tiene que ir a alguna parte), por lo que creo que el riesgo de que te maten los escombros voladores es irrelevante, ya que el calor te alcanzaría de todos modos.

Tenga en cuenta que un motor de cohete es simplemente una explosión controlada. La explosión se dirige al suelo, por lo que la mayor parte del calor/las llamas/los gases de escape no te alcanzarán a menos que estés muy cerca. Sería simple simplemente pararse en el lado opuesto al que se dirige en el lanzamiento.

Sin embargo, aparte de un sistema de supresión que consiste en trincheras y/o agua, nada lo protegerá del sonido .

Los sonidos son solo ondas de presión que viajan por el aire. El sonido del lanzamiento del transbordador fue de 215 dB. Saturno V tenía 220 dB y era capaz de derretir hormigón solo con el sonido. Como referencia, las bombas nucleares que lanzaron sobre Japón fueron de 248 dB. Los estudios muestran que un sonido de 210 dB causará daño a los órganos internos, lo que probablemente provocará la muerte por hemorragia interna. ¿Qué tan cerca tendrías que estar del Saturno V para recibir 210 db? Probablemente unos pocos cientos de pies, lo que lo dejaría más allá de la mayor parte del humo y el calor, especialmente si se paraba en el lugar correcto.

Así que votaré que el sonido te mate primero.

Referencia: http://www.makeitlouder.com/Decibel%20Level%20Chart.txt

Así de cerca.....

http://www.parabolicarc.com/2017/04/12/close-video-chinese-rocket-launch/

Esto es bastante loco, el calor debe haber sido inmenso.

Variaría para cada tipo de cohete. Cuanto más potente sea un cohete, mayor será la distancia segura de separación. Un cohete como el Saturn V requeriría una distancia de separación mayor que un cohete Proton.

También dependería de qué estructuras de dirección de escape existen debajo del cohete en el lanzamiento y dónde quería estar la persona en relación con eso. Una distancia de separación perpendicular a las ventilaciones de escape sería menor que una distancia de separación en la trayectoria del escape desde las ventilaciones.

... uno DEFINITIVAMENTE sería asesinado por el sonido primero; la sola fuerza del sonido licuaría todo tu cuerpo en cuestión de fracciones de segundo; es por eso que no ve a nadie alrededor de la plataforma de lanzamiento a partir de los minutos T-9 y hacia abajo. Probablemente moriría si estuviera parado en la plataforma de observación LC-39 a menos de 1/2 milla de la plataforma de lanzamiento 39-A. Por cierto, SLS tiene 8,8 millones de libras de empuje, en comparación con los 7,7 m de Saturno V como máximo, por lo que la zona de muerte es más grande, pero están lanzando SLS desde la plataforma 39-B el 29/8, por lo que la distancia es más cercana a una milla de la plataforma de observación.