¿Qué tan rápido se puede acelerar un barco con hábitats giratorios?

¿Puede una nave con un hábitat giratorio ser estable mientras viaja por el espacio tan rápido durante años?

La velocidad a la que viaja es irrelevante. La estabilidad es importante, pero no tiene nada que ver... los interesantes efectos giroscópicos de las piezas giratorias de las naves espaciales se aplican tanto a las naves estelares como a los hábitats "estacionarios". Está en la naturaleza de las naves estelares que necesitarás enormes motores (u otros dispositivos para proporcionar empuje, como una vela de fotones) y enormes escudos y enormes tanques de masa de reacción (para cohetes) y suministros y todo lo demás... esto funciona para su ventaja, porque la parte giratoria de la nave puede ser relativamente liviana y pequeña en comparación con el resto, lo que ayudará con la estabilidad. Combinado con ruedas de reacción y propulsores de control de reacción , su nave debería ser lo suficientemente estable.

Si aceleramos una nave a esas tremendas velocidades similares a las capacidades de Venture Stars

Alerta de pedantería: no "aceleras a una velocidad tremenda". La aceleración es la tasa de cambio de la velocidad. Si hay que creer en la relatividad (y la evidencia sugiere que probablemente deberíamos creer en ella), un marco de referencia inercial es bastante parecido a otro. De aquí en adelante, ignoraré la velocidad (casi) por completo y me concentraré en la aceleración porque eso es todo lo que importa.

Creo que el Venture Star fue diseñado para ser acelerado a 1,5 g, que es una cifra impresionante. A ese ritmo, no necesitas tu gravedad giratoria... simplemente la apagarías. Dado que la ingeniería moderna es capaz de hacer estructuras que pueden soportar 1 G de aceleración durante largos períodos de tiempo, hacer que sus secciones giratorias soporten 1,5 G no debería ser un problema, especialmente si las estacionó con anticipación. Que es, por supuesto, exactamente lo que hizo Venture Star .

¿Pueden los barcos con grandes hábitats de toros giratorios ser acelerados de manera segura a velocidades tremendas?

Tienes tres problemas bastante separados.

1. ¿Las estructuras de soporte son capaces de soportar el empuje del motor principal, incluso cuando las secciones giratorias están estacionadas? Voy a asumir que "sí", porque tener un barco que se cae en pedazos cuando presionas el botón de ir es un poco vergonzoso.

2. ¿Están los rodamientos a la altura?

   Eso es más difícil de decir. Con los motores apagados, las fuerzas sobre los rodamientos son en gran medida radiales. Sin embargo, enciéndalos, y ahora el centro está siendo empujado hacia adelante y el exterior, naturalmente, querrá retrasarse un poco. Ahora tiene que usar cojinetes de empuje en lugar de cojinetes simples, lo que aumentará un poco las complejidades de la ingeniería.

3. ¿Qué sucede con la dirección de la gravedad artificial cuando se encienden los motores?

   Comenzará a apuntar hacia atrás, eso es lo que le sucederá, porque el contenido de las secciones giradas experimentará una aceleración debido a las fuerzas centrífugas y de empuje del motor, y esos vectores se sumarán y apuntarán a algún lugar que no sea directamente hacia la popa o directamente desde el eje.

Aquí hay un par de diagramas útiles robados descaradamente de la página informativa de Project Rho sobre la gravedad artificial hilada, que parece haber visitado antes pero que podría valer la pena que vuelvas a visitar:

Si está preparado para estacionar sus secciones giratorias antes de encender sus motores (lo que para una plataforma de gravedad toroidal simplemente significa reducir su rotación a cero en lugar de plegarla también), puede evitar estos problemas, pero si desea combinar ambas fuerzas (por ejemplo, debido a que tiene un empuje bajo y hace funcionar sus motores durante mucho tiempo), querrá tener posiciones intermedias en ángulo para que su vector de gravedad artificial siempre parezca apuntar hacia abajo.

Aquí hay un buen ejemplo de aceleración debido a la gravedad (indistinguible del empuje debido a sus motores) combinado con fuerzas centrífugas:

(También demostramos que somos capaces de fabricar cojinetes adecuados capaces de soportar fuerzas tan fuertes como 1G de empuje, aunque hacerlo funcionar durante años en el vacío se deja como un ejercicio para el lector). Tenga en cuenta el movimiento hacia afuera, con puntos de bisagra en la parte superior de cada atadura. Enlace de Youtube para un viaje un poco más emocionante .

Mensaje para llevar a casa: un toro es genial si no estás acelerando, es por eso que aparecen en muchos diseños de hábitat. Una nave estelar necesariamente tendrá largos períodos de aceleración, lo que hace que su uso sea inconveniente durante esos tiempos. La proporción de empuje a inercia informará su diseño. Un toro podría ser mejor para vuelos de cabotaje muy largos.

¿O hay realmente un límite a la velocidad a la que deben viajar estas naves para navegar de forma segura y estable en el espacio interestelar?

Tus límites de velocidad en el espacio tienen poco que ver con tu gravedad artificial.

En primer lugar, está muy limitado por la tecnología de su unidad. Para un cohete, incluso un cohete de antimateria con núcleo de haz de súper alta tecnología como el Venture Star , estás limitado por tu velocidad de escape. Para un cohete de antimateria con núcleo de haz, esa velocidad de escape es aproximadamente el 30% de la velocidad de la luz (por razones de las que no estoy completamente seguro; los piones que salen de una reacción de aniquilación viajan a .94c, pero la velocidad de escape práctica citada las cifras para los diseños de cohetes con núcleo de haz son más bajas que eso, por ejemplo, eche un vistazo al excelente artículo de Robert Frisbee Cómo construir un cohete de antimateria para misiones interestelares que entra en detalles sobre los problemas y el rendimiento de los cohetes impulsados ​​por antimateria).

el delta-V de tu barco,$\Delta V$, es el cambio máximo de velocidad que puede realizar. Si lleva consigo todo su combustible y masa de reacción y viaja a velocidades modestas, esto está limitado por$\Delta V = V_e \log_e(R)$dónde$V_e$es su velocidad de escape,$\log_e$es la función logaritmo natural y$R$es la relación entre la masa de su barco con el combustible completo y la masa sin combustible.

Nota importante Por "modesto" quiero decir "no demasiado cerca de la velocidad de la luz". A medida que aumenta su factor de Lorentz (y por .6c es un 1.25 no ignorable), menos puede hacer uso de ecuaciones simples (como señaló Hypnosifl amablemente). De manera similar, cuando usa un cohete en el que una cantidad sustancial de cosas que salen por la parte trasera simplemente se convierten en fotones y parten inútilmente, no puede simplemente usar la ecuación regular. La altamente compleja y fea ecuación del cohete de antimateria relativista está disponible en el artículo de Frisbee, si te sientes valiente. Por simplicidad, y para darle una idea aproximada de a lo que se enfrenta, lo estoy ignorando. Solo recuerde que los números que doy a continuación son demasiado optimistas , y las cifras reales serán mucho,

Ahora, dicho esto: si quieres que tu$\Delta V$para igualar tu$V_e$, necesitas una relación de masa de$e$(o alrededor de 2,72). Para agregar otro$V_e$metros por segundo a tu$\Delta V$, necesitas multiplicar tu razón de masa por$e$. Si quieres llegar al 60% de la velocidad de la luz y tu$V_e$es el 30% de la velocidad de la luz, necesita una relación de masa de aproximadamente$e^2$o 7.4. Para volver a bajar de .6c a 0 nuevamente, necesitará un total$\Delta V$de 1.2c y por lo tanto una relación de masa de$e^4$o 55. Para una nave estelar de 10000 toneladas, eso significa que necesita más de un cuarto de millón de toneladas de antimateria a bordo, y buena suerte con eso.

Mensaje para llevar a casa: los cohetes son terribles para los viajes interestelares . Hay una buena razón por la que Venture Star usó una vela láser para impulsarse (aunque prefiero los diseños de viga de vela ). Probablemente también deberías usar una vela de frenado magnético .

El segundo problema es el blindaje. Notarás que el diagrama de Venture Star que has compartido tiene una enorme pila de placas marcadas como "protección contra desechos". No entraré en los detalles de proteger una nave que viaja a un porcentaje decente de la velocidad de la luz, pero es difícil y el daño que sufrirá será un castigo . Pierde ese escudo y estás muerto. Por lo tanto, su velocidad está limitada por la cantidad de protección que puede hacer que empujen sus motores. Las centrífugas no entrarán en él.

Ah, y un tercer problema potencial:

navegar con seguridad

Navegar en naves estelares es complicado, porque saber en qué dirección tienes que ir no es del todo trivial. Una vez que haya resuelto ese problema, encienda su gran cohete (u otro mecanismo de impulso) y listo... no necesita hacer mucho manejo en el camino.

En el caso de las secciones hiladas, eso es muy importante. Las aceleraciones fuera del eje, como las causadas por la rotación de la nave, tendrán todo tipo de efectos muy desagradables y definitivamente pondrán cargas grandes y desiguales en tus rodamientos. ¡Apague la rotación antes de girar!

(Además, los giros parciales a altas velocidades son una idea terrible , porque la suciedad a alta velocidad se deslizará más allá de su escudo y destrozará su nave. No gire a altas velocidades. El vuelo interestelar debe ser en línea recta).

Si es así, ¿cómo puede afectar el efecto Coriolis a bordo si viajara tan rápido y los problemas físicos que causaría a la nave?

Nota importante: la gravedad artificial la proporciona la fuerza centrífuga, no la fuerza de coriolis. El primero afecta a todos los objetos en un marco giratorio, el segundo solo afecta a los objetos que tienen un vector de velocidad relativo a ese marco (por ejemplo, una persona caminando en la sección de su habitáculo, o un objeto caído, etc.).

Mientras empuje a lo largo del eje de rotación de sus plataformas de gravedad, y mientras sus rodamientos sean lo suficientemente fuertes para soportar la fuerza del empuje del motor y las tensiones de sus secciones giratorias, estará bien.

Si tiene barcos capaces de alcanzar 0,6 c, los hábitats rotativos no solo son innecesarios, sino contraproducentes. Su principal preocupación no es obtener una aceleración de 1 g para evitar que la tripulación se enferme por la ingravidez, sino obtener solo 1 g para evitar que se conviertan en el nuevo trabajo de pintura. Con una aceleración de alrededor de 1 g, tardaría unos 200 días en llegar al 60 % c y tardaría la misma cantidad de tiempo en reducir la velocidad para encontrarse con el objetivo. Lo que querrías hacer es una aceleración constante de 1 g durante la mitad del viaje y una desaceleración constante de 1 g el resto del camino. Eso es lo más rápido que puedes ir de todos modos y también resuelve por completo el problema de la microgravedad.

Editar: para responder la pregunta directamente, considerando que el único propósito de un hábitat giratorio es mantener saludables a los pasajeros humanos, alrededor de 3 g sería un límite superior estricto. Podría ser posible mantener ese tipo de fuerzas durante un período de días o más. Un poco más y no hay forma de que los corazones de los pasajeros puedan bombear sangre desde sus piernas. Actualmente existe la tecnología para construir cojinetes que podrían soportar ese tipo de golpes, de modo que lo que sea que los pasajeros puedan sobrevivir, también lo harán los hábitats.

La respuesta básica es "por supuesto", pero esa respuesta viene con una advertencia que es "si está dispuesto a tomarse el tiempo para hacerlo", es decir, si solo acelera a 1/1000 de g, es casi seguro que puede ^dejar su secciones giratorias en ejecución mientras lo hace. A su nave le tomará mucho tiempo alcanzar una fracción notable de la velocidad de la luz, pero eventualmente llegará allí.

Si desea aumentar hasta 0.1c en el espacio de minutos u horas, es una historia diferente; ese tipo de aceleración va a ser una tensión brutal en la estructura de su nave ya sin tener cosas como rodamientos flotantes en su diseño y mucho menos funcionando.

Cualquier aceleración que sea una fracción notable de la pseudogravedad producida por la rotación provocará una decidida "inclinación" en la gravedad neta que siente cualquier habitante.

La precesión es un problema que debe abordarse en la etapa de diseño para garantizar que los barcos no se tambaleen en su curso.

Para la rotación, necesita un rodamiento. Para una sección de ese tamaño y un funcionamiento tan prolongado, no veo una alternativa realista, excepto un cojinete magnético/eléctrico activo. Los beneficios de este tipo sobre las alternativas más cercanas son:

1- fricción baja a insignificante - menos desgaste/menor mantenimiento y riesgo de falla

2- los espacios en la parte delantera y trasera entre el rotor y la pista exterior del rodamiento son monitoreados por sensores inductivos y compensados ​​por el controlador. Esto contrarrestará la vibración antes de que aumente destructivamente. Con un cojinete de este tamaño, eso podría equivaler a una cantidad no trivial de potencia necesaria para estabilizar el rotor.

Dicho esto, creo que no sería una buena idea mantener este conjunto girando durante la aceleración/desaceleración. A medida que la aceleración coloca carga en la estructura espacial, el rotor del cojinete (y todo lo que soporta) será empujado hacia los motores, probablemente superando su compensador. Estaría moliendo contra la parte trasera de la carrera y, dado este tamaño, probablemente se rompería. Pude verlo en una posición "bloqueada" donde algún tipo de freno de pinza inmoviliza el rotor y recoge la carga estructural. Eso significa girar hacia abajo el toroide antes de una quemadura fuerte, y volver a girarlo hasta las rpm deseadas una vez que se completa la quemadura.

Si es una aceleración más fácil, como desde una vela ligera o un motor de iones, siempre que esté dentro del rango de compensación del rodamiento, estará bien.