Si construyéramos naves espaciales en la Luna, ¿tendríamos más combustible para quemar para el viaje a Marte? [cerrado]

Leí en alguna parte que gran parte del combustible utilizado para los viajes de la Tierra a Marte se quema en las primeras horas, dejando así la gravedad de la Tierra.

Partiendo de la premisa de que se necesita mucho combustible para salir del pozo de gravedad, imaginemos cuánto combustible y tiempo se necesitarían para lanzar desde el pozo de gravedad de la Tierra a Marte, manteniendo 1 G de empuje todo el tiempo (acelerar hasta la mitad y desacelerar hasta la mitad).

Tiempo: la aritmética dice que tardaría unos 35 días.

Combustible: leí en alguna parte que esto requeriría una cantidad astronómica, razón por la cual, en cuanto a la inversión que obtenemos actualmente, lo mejor que se puede hacer es acelerar a algún tipo de velocidad de crucero, navegar por la costa por un tiempo (muchos meses), y desacelerar.

Sin embargo, si la nave se lanzara desde fuera del pozo de gravedad, por ejemplo, el punto L2 Tierra-Luna-LaGrange, qué recurso se ahorraría más probablemente: se ahorraría más combustible; ¿O se ahorraría más tiempo?

Esta es una pregunta sencilla de exploración espacial, que pertenece mejor a la comunidad relacionada. space.stackexchange.com/search?q=launch+from+moon
Esta es más de una pregunta: 1) Lanzamiento desde la Luna a Marte; 2) Lanzamiento desde la L2 de la Tierra a Marte; 3) Minimizar el tiempo de viaje por consumo de combustible extra.
"Leí en alguna parte que gran parte del combustible utilizado para los viajes de la Tierra a Marte se quema en las primeras horas, dejando bien la gravedad de la Tierra". Estoy bastante seguro de que leíste eso sobre viajar a Marte a través de una transferencia Hohmann . Este es el método habitual para enviar algo a Marte. Lleva un tiempo pero utiliza la menor cantidad de combustible, porque el barco pasa la mayor parte del tiempo navegando. No a través de un empuje constante, que sería más rápido si tuviéramos una tecnología de propulsión lo suficientemente eficiente en combustible.
Tenga en cuenta que el empuje continuo de 1 g es LOCO (y probablemente inviable sin importar nuestro progreso tecnológico): permitiría cruzar toda la Vía Láctea en 25 años (tiempo de envío) => en.wikipedia.org/wiki/Space_travel_using_constant_acceleration
¿Cómo obtienes ese combustible en la luna para alimentar tus naves espaciales?
Ahorraría una fracción de una fracción de una fracción de un porcentaje de su combustible. una quema continua de 1 g usa cantidades obscenas de combustible. Billones de billones de veces más de lo que realmente necesitas. Lanzar desde la órbita, o desde la Luna, te ahorrará unas cuantas toneladas, de las tropecientas toneladas que vas a necesitar en cualquier caso.
@ T.Sar La mayoría de las teorías que he escuchado es que fabricarías tu combustible en la Luna, a partir de los materiales que se encuentran allí. Siempre que podamos extraer suficiente hielo de las regiones polares y usar el agua que se encuentra allí para crear hidracina en cantidades suficientes, eso resolvería el problema del combustible. (De lo contrario, llevar combustible de la Tierra a la Luna y luego usar ese combustible para ir a Marte, es un desperdicio en comparación con ir directamente a Marte).
Esta pregunta es una ciencia de la vida real en lugar de una construcción del mundo.
Si quieres lanzarte desde la Luna, probablemente quieras otra explicación. Digamos que el combustible se considera demasiado tóxico para la Tierra.
la física o la exploración espacial son más apropiadas

Respuestas (5)

Hay demasiadas incógnitas aquí para una respuesta directa, pero se puede demostrar que un tránsito de empuje continuo (también conocido como braquistocrona ) entre la órbita de la Tierra y Marte consume mucho más combustible que el levantamiento desde la superficie de la Tierra, por lo que los ahorros como una proporción del combustible utilizado son bajos.

La gravedad de la Tierra va bien con Marte, manteniendo 1 G de empuje todo el tiempo (acelera a la mitad y desacelera a la mitad).

Tiempo: la aritmética dice que tardaría unos 35 días.

¡No has pensado muy detenidamente en esto! Después de 17 días de empuje a 1G, estaría viajando a más de 14 000 km/sy habría recorrido más de 7 000 millones de kilómetros. La distancia máxima entre la Tierra y Marte es de unos 400 millones de kilómetros. ¡Tu plan de vuelo te lleva al Cinturón de Kuiper, no a Marte!

Viajar la distancia promedio Tierra-Marte de ~225 millones de kilómetros con un empuje continuo de 1G y un giro en el medio toma un poco más de 3 días, dado t = 2 d a dónde d es la distancia y a es la aceleración.

Sin embargo, si la nave se lanzara desde fuera del pozo de gravedad, por ejemplo, el punto L2 Tierra-Luna-LaGrange, ¿cuánto combustible se ahorraría? O, si se usa la misma cantidad de combustible, ¿cuánto tiempo se ahorraría?

Una cifra importante en cohetería es delta-V , o cambio de velocidad. La velocidad de escape de la Tierra, por ejemplo, es un poco más de 11 km/s. Ignorando los efectos de la resistencia atmosférica y de la gravedad por el momento, un cohete que tuviera un delta-V de 11 y un bit km/s podría escapar del pozo de gravedad de la Tierra y volar al espacio interplanetario. La gravedad de la luna es mucho menor, por lo que su velocidad de escape es un poco más de 2 km/s. En el punto L2 de la Tierra-Luna es aún más bajo... muy por debajo de 1 km/s.

Ahora consideremos su trayectoria de quemado continuo de 1G. Si hacemos funcionar el motor durante ~1,75 días, alcanzaremos una velocidad máxima de casi 1500 km/s. Entonces tenemos que reducir la velocidad hasta una parada relativa. Eso requiere un presupuesto delta-V total de casi 3000 km/s ... ¡un poco más de 270 veces el delta-V mínimo requerido para escapar de la superficie de la Tierra!

Claramente, si tiene cohetes lo suficientemente potentes como para sostener tanto empuje durante tanto tiempo, salir de un pozo de gravedad profundo es a) un juego de niños, b) barato yc) rápido. La diferencia será insignificante, si ignora los problemas ambientales.

Podría considerar hacer una pregunta por separado sobre la operación de un cohete que podría tener un delta-V de la mejor parte de 3000 km / s dentro de la atmósfera de la Tierra. Alerta de spoiler: probablemente involucre una gran cantidad de antimateria y sea un poco como una explosión nuclear continua que dura unos minutos y probablemente termina con un EMP de gran altitud que causa problemas generalizados en todo el hemisferio desde el que se lanzó el cohete. Los cohetes de este nivel de potencia son excepcionalmente peligrosos.

"si tienes cohetes lo suficientemente poderosos... salir de un pozo de gravedad profundo es... b) barato" Ummm... Yo no llamaría "barato" a un presupuesto de propulsor que va exponencialmente con su masa . ¿ Tienes idea exp(150)de en qué se traduce? Si pudiera obtener con 1 kg de propulsor para el delta-V mínimo, para obtenerlo 150*delta-Vnecesitaría 1.4e + 65 kg (masa de la Tierra = 6.4e + 24 kg para comparar)
@AdrianColomitchi, el OP presupone la existencia de un cohete lo suficientemente potente como para realizar un tránsito braquistócrono de 35 días a 1G. Pasar 20 minutos adicionales operando el motor para desarrollar 11 km/s iniciales no lo va a gravar indebidamente.
Gracias. De modo que necesitaría dirigir mi observación a OP mostrando que un cohete lo suficientemente poderoso como para hacer un tránsito braquistócrono de 35 días a 1G a Marte involucraría masas terrestres de propulsor o energías de eyección ultrarrelativistas. A menos que quiera hacerlo como consideraciones adicionales en su respuesta.
@AdrianColomitchi parece que un cohete de antimateria con núcleo de haz adecuado podría hacerlo con una relación de masa de solo 1.14, siguiendo el artículo de Frisbee (con una velocidad de escape de .33c no relativista). Dejando de lado la inverosimilitud de tal cohete, algo con una masa húmeda de 1140 kg necesitaría solo 70 kg de antimateria pura para llegar a Marte, y sus motores desarrollarían una potencia de aproximadamente medio teravatio en el despegue. El enfriamiento y el blindaje contra la radiación se dejan como ejercicio para el lector.
@StarfishPrime solo verificando: ¿estamos hablando de enfriar la nave espacial o enfriar lo que queda de la Tierra?
@JohnDvorak no, solo 70 kg de antimateria no van a hacer mucha mella en la Tierra... eso es solo un rendimiento de 3 gigatoneladas si todo sube a la vez... tal vez un cráter de 5 km. Malas noticias para los testigos y vecinos, pero apenas te darías cuenta si estuvieras a uno o dos países de distancia. Por supuesto, si fuera una nave más del tamaño de un transbordador espacial que una avioneta, sería un poco más problemático...

Combustible: leí en alguna parte que esto requeriría una cantidad astronómica, razón por la cual, en cuanto a la inversión que obtenemos actualmente, lo mejor que se puede hacer es acelerar a algún tipo de velocidad de crucero, navegar por la costa por un tiempo (muchos meses), y desacelerar.

Si insiste en usar 1G, necesitará esa cantidad astronómica de combustible. Pero entonces no habrá mucha diferencia entre L2 y el suelo. en la cantidad de combustible que necesita llevar consigo. Pero cuando navega por la costa durante un tiempo para ahorrar combustible, entonces no ahorra ningún tiempo significativo.

Viajar a la Luna para repostar (re-tanque) no es una buena manera de llegar a Marte. Al no menos por el momento. Los detalles dependen de qué propulsores planee usar, qué infraestructura esté instalada en la Luna y dónde va a aterrizar en la Luna.

Si planea volver a llenar el tanque con LOX y LH2 (y volver a llenar el tanque con estos dos propulsores es más eficiente), entonces está limitado a una ubicación polar donde se encuentra el hielo. Pero aún se deben gastar propulsores para aterrizar en la superficie que deben provenir de la Tierra, y se debe cargar una gran cantidad de propulsor en la Luna para escapar de la Luna y volar a Marte. La producción de grandes volúmenes de propulsores en la Luna no va a suceder en el corto plazo.

volver a repostar solo con LOX es muy ineficiente porque se debe gastar aún más energía para aterrizar el combustible que se necesita para despegar nuevamente. Pero LOX podría producirse en casi cualquier lugar del regolito lunar.

Tenga en cuenta que no sería posible acelerar/desacelerar a 1 g hasta llegar a Marte. Los motores químicos o incluso los motores nucleares no podrían proporcionar un empuje sostenido durante un período lo suficientemente largo. Un empuje de 1 g solo se pudo sostener durante minutos antes de que se agotaran los propulsores (independientemente de los propulsores).

Seguramente, si tiene algún tipo de refinería de combustible lunar, ¿tiene sentido lanzar los productos a la órbita (lunar) y transferirlos allí? Llevar toda la nave espacial a la luna y volver a subirla no puede ser una opción eficiente.
Si verdad. Hay todo tipo de posibilidades y permutaciones. Los principales problemas son la ganancia mínima y el gran desembolso en infraestructura para generar una ganancia tan pequeña. Aunque el propulsor producido en la Luna no tiene que viajar desde la Tierra, eso no lo hace barato. Debido a que se requieren los vastos paneles solares o la planta de energía nuclear, todos los tanques de almacenamiento y las instalaciones de procesamiento de materiales y las necesidades de reparación tendrían que venir de la Tierra a un gran costo. Tal vez vuelva a examinar el problema dentro de cien años y la respuesta podría ser diferente.
El otro problema con las órbitas lunares es el cambio de alineación con Marte debido a la órbita de la Luna alrededor de la Tierra. Así que los retrasos pueden ser costosos
"Debido a que se requieren los vastos paneles solares o la planta de energía nuclear, todos los tanques de almacenamiento y las instalaciones de procesamiento de materiales y las necesidades de reparación tendrían que provenir de la Tierra a un gran costo". Luego envíe una fábrica que construya paneles solares y tanques de almacenamiento en la Luna primero. De lo contrario, es como decir "No tiene sentido colonizar América, porque tendremos que enviarles hachas y azadones a un gran costo". De acuerdo, no va a terminar mañana esta etapa, pero tampoco un viaje a Marte programado para el día. después.
Sí, como digo, tal vez vuelva a revisar el tema en 100 años.
no envía la nave desde la luna, envía combustible desde la luna a través de un cañón de riel a una ruta de intercepción.
Sí, eso funciona, pero a costa de aún más infraestructura

Si construyéramos naves espaciales en la Luna, ¿tendríamos más combustible para quemar para el viaje a Marte?

Sí, tendrás que ahorrar combustible. La gravedad es un campo conservativo : la energía que uno gasta (o gana) moviéndose entre dos puntos es la misma sin importar la trayectoria.

Más o menos, la energía extra disponible para ti si comienzas el viaje a Marte desde L2 en lugar de la superficie de la Tierra es igual a la energía que necesitas para llegar a L2 desde la Tierra.

Algunas advertencias:

  • cuando caes en un campo de gravedad, la energía que ganas no llenará el tanque de combustible de tu cohete
  • una buena cantidad de energía al despegar desde el interior de la atmósfera terrestre se pierde debido a la fricción aerodinámica.
  • mientras que la energía que ahorras es constante, el porcentaje del combustible ahorrado sobre el total de combustible necesario para tu régimen de velocidad/tiempo dependerá de ese régimen.
La energía no suele ser una forma útil de ver las cosas en la dinámica orbital. La cantidad de propulsor requerida está relacionada con el cambio de velocidad, no con el cambio de energía y, de hecho, la misma quema puede generar diferentes cambios en la energía orbital de una nave según la dirección en la que se encuentre y cuál sea la velocidad orbital de la nave en ese momento. de la quemadura Caer en un pozo de gravedad no pone propulsor en su tanque, pero significa que puede obtener un mayor cambio de trayectoria.
@ChristopherJamesHuff Primero, la cantidad de propelente ya se deriva de consideraciones energéticas, por lo que usará energía implícitamente de todos modos. En segundo lugar, la energía es importante cuando puedes calcular trayectorias que no descuiden la interacción gravitacional con otros cuerpos y comiences a pensar en maniobras de asistencia gravitacional (tirachinas o frenado) en él. delta-V es para principiantes.

Como otros señalan, una trayectoria de empuje continuo de este tipo implica capacidades que hacen que sea bastante irrelevante desde dónde comienzas. Prácticamente podría simplemente apuntar su nave hacia donde quiere ir, sin ningún cuidado puesto en el diseño de la trayectoria y sin pensar mínimamente en los presupuestos de propulsor.

Las naves espaciales reales realizan encendidos de alto empuje que tienden a durar decenas de minutos como máximo, o usan aceleración continua con propulsores que son eficientes en términos de propulsión, pero consumen tanta energía que el vehículo está limitado a aceleraciones de mili-gee. Y, de manera realista, esos también usan períodos de inercia para ponerse en posición. Hay partes de la trayectoria donde es más efectivo gastar propulsor, puedes sacar más provecho de lo que llevas si tienes más cuidado donde lo gastas. El caso ideal es que las quemadas sean instantáneas, y los vehículos reales, por supuesto, se limitan a aceleraciones finitas.

Las naves de bajo empuje son buenas candidatas para partir desde la vecindad de la Luna, porque ahorra meses de salir lentamente en espiral a través de los cinturones de radiación de la Tierra. Sin embargo, la luna no es una buena fuente de los mejores propulsores para estos sistemas, por lo que el propulsor debería importarse... muy probablemente de la Tierra.

En cuanto a los vehículos de alto empuje, sí, podrían llegar a Marte desde la órbita lunar con menos propulsor del necesario para hacerlo desde la órbita terrestre. Sin embargo:

  • Tú también tienes que volver. En órbita lunar, eso significa quemar propulsor para frenar en órbita. Si, en cambio, regresa a la Tierra, puede usar la atmósfera para frenar, lo que reduce considerablemente sus requisitos de propulsor (lo que le permite transportar una carga útil en lugar de propulsor).
  • Realmente no hay nada que la luna tenga que Marte no tenga. Necesita llevar pasajeros/carga desde la Tierra, y se necesita casi tanto propulsor para llevarlos desde LEO a la órbita lunar como para ir directamente a Marte. Parar allí en realidad hace que el viaje sea más caro.
La Luna, con una velocidad de escape de 2,4 km/s, podría colocar los tanques de combustible en órbita utilizando medios no basados ​​en cohetes. Por supuesto, no a corto plazo, pero tampoco la pregunta original se limita a "cómo lo harías hoy".
Si construyéramos naves espaciales en la Luna, ¿tendríamos más combustible para quemar para el viaje a Marte? [cerrado]
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v