¿Cuáles son los mayores desafíos para los sistemas de lanzamiento de cañones de riel a gran altitud?

Use un cañón de riel de levitación magnética para la aceleración inicial, en un nuevo túnel hiperbólico que mira hacia el este, que sale de la vía subterránea excavada hacia el pico del monte Chimborazo de Equadors (una cima de montaña de 6 km de altura y la más cercana al ecuador / por lo tanto, la distancia más corta al espacio),
saliendo del vehículo a través de la atmósfera superior a hipervelocidad. No se necesita estructura, el túnel está rodeado de roca. En pocas palabras, siete razones por las que creo que esto es viable:

  1. Ubicación: aplicación de máx. rotación de la tierra para ayudar tanto a las fuerzas vectoriales como a la velocidad para transportar el vehículo a la órbita

  2. El lanzamiento cerca del ecuador proporciona la distancia "más cercana al espacio" a través de la atmósfera. (2 km más cerca del espacio que del Everest)

  3. Despeje de la densidad atmosférica: densidad más baja de la atmósfera para acelerar.

  4. energía sustancialmente menor gastada: la "tiranía de la propulsión de cohetes" es el peso y el uso del combustible. Esto elimina más del 75% de la energía de propulsión de cohetes estándar que normalmente se gasta. (@ 61 km de altitud Saturno V ha gastado más del 80% de su peso, 2 millones de kg de carga de combustible a una velocidad más lenta, 2,3 km/s)
  5. Con el interior del túnel del cañón de riel casi vacío, y una abertura en el pico de la montaña de alta velocidad para la salida del vehículo (y los cálculos del gran cañón de Bull sobre la velocidad orbital del proyectil a 7,2 km / s) se logran de manera eficiente con una propulsión mínima de energía del cohete. aplicaciones de tecnología convencionales listas para usar
  6. Aceleración de cañón de riel realista y controlada a lo largo de 4 km dentro del túnel, y un suministro de energía terrestre casi ilimitado.
  7. Máquinas perforadoras de túneles, cañón de riel magnético, vehículos de transporte espacial de gran masa y volumen.

¿Cuáles son las mayores obstrucciones tecnológicas necesarias para un sistema de lanzamiento de este tipo?

Déjame aclarar esto. ¿Aceleración a 16,800 mph en una distancia de 2.5 millas (más de 650 g), luego estallando en la atmósfera (ciertamente menos densa)? Eso no es imposible para proyectiles diseñados específicamente, pero las restricciones estructurales y térmicas lo harían completamente inviable con cualquier tipo de vehículo de transporte 'grande'. Una idea para los lanzamientos asistidos por cañón de riel es el uso de una etapa atmosférica impulsada por un scram-jet que se lanza desde el cañón de riel a velocidades supersónicas y lanza la sonda a gran altura y alta velocidad.
en.wikipedia.org/wiki/Project_HARP - Mire esto, puede disfrutar de esta lectura.
Eche un vistazo a las altitudes a las que los cohetes actuales alcanzan Max-Q. La atmósfera, incluso en las alturas, provoca mucha resistencia a altas velocidades. el arrastre es proporcional a la velocidad ^ 2, aproximadamente
Mencionas que la montaña tiene 6 km de altura, pero en tu punto 4 dices que Saturno V ha gastado el 80% de su peso a 61 km de altura. Eso parece ser una estadística inútil a menos que los 61 km sean un error tipográfico.
Usted dice "se supone un suministro de energía casi ilimitado" y luego pregunta "¿cuáles son los mayores problemas tecnológicos?" Pero usted acaba de decir que asume que la parte más difícil, suministrar los millones de amperios de corriente necesarios para escalar un cañón de riel más allá del tamaño de la "mesa", se ha resuelto. Ese problema no ha sido resuelto; no disponemos de materiales que soporten las corrientes sostenidas necesarias.
Recuerde, el problema no es la energía eléctrica per se; Tienes razón en que tenemos mucha electricidad disponible. El problema es concentrar esa energía eléctrica para que haya una enorme cantidad de ella moviéndose extremadamente rápido a través de un espacio extremadamente pequeño. Es similar a diseñar un sistema hidráulico y decir "tenemos mucha agua". Claro, tenemos un océano de agua, pero no podemos aumentar su presión o flujo en una tubería estrecha en un grado arbitrario dados los materiales disponibles actualmente.
El monte Chimborazo puede estar 2 km más lejos del centro de la tierra que el monte Everest, pero eso no significa que esté 2 km más cerca del espacio. La atmósfera es achatada, al igual que la tierra: su espesor en el ecuador es casi el mismo que su espesor sobre Nepal.
Con las primeras etapas reutilizables (y que pronto se reutilizarán por completo), este tipo de conceptos de lanzamiento alternativos son cada vez más inútiles, al igual que el ascensor espacial. El combustible es barato.
@TonyK: Estoy de acuerdo con tu comentario, pero... Un lanzamiento desde el monte Everest en órbita pasaría sobre el ecuador. Entonces, en cierto sentido, un lanzamiento desde el monte Chimborazo aún podría considerarse "lo más cercano al espacio".
¿Por qué diablos gastaría cientos de miles de millones o potencialmente billones para construir uno de estos en lugar de invertir una miseria relativamente pequeña en tecnología de cohetes reutilizables? En el mejor de los casos, un sistema de cañones de riel podría poner una carga útil extremadamente limitada en una órbita específica y aun así le costaría una tonelada de dinero. Estas cosas pertenecen a la luna, donde fácilmente podrían inyectar pequeños objetos en una trayectoria de retorno a la tierra, y son totalmente inviables en cualquier planeta con una atmósfera densa.
@eps lo logró. Los sistemas como los cañones de riel se diseñaron para reducir el costo de los lanzamientos espaciales cuando cuestan decenas de millones por tonelada de carga útil. Desde entonces, SpaceX hizo una prueba convincente de que el problema de los costos no eran los cohetes químicos, sino que gastaba hardware costoso en cada vuelo. Un Falcon 9 reutilizable usa aproximadamente $$150k de combustible para poner en órbita más de 15 toneladas de carga útil, mientras sigue gastando una etapa superior de más de 10M. Si Starship tiene éxito, pondrá en órbita más de 100 toneladas de carga útil por $ 500 mil en costos de combustible. Los costos de lanzamiento futuros serán impulsados ​​por los costos de renovación y los usos totales, no por la eficiencia del combustible.

Respuestas (3)

Lo que estás describiendo es (más o menos) el diseño "gen 1" de StarTram .

El diseño de referencia tiene:

  • Proyectil de carga no tripulado de 40 toneladas, 25 toneladas de carga útil, ~2 m de ancho, ~13 m de largo.
  • Un túnel de aceleración de levitación magnética de 130 km, evacuado.
  • Un punto de salida a 6000 m de altura, en una montaña.
  • Una ventana de plasma para permitir la salida de proyectiles a la atmósfera sin represurizar todo el túnel.
  • Velocidad inicial de ~8,78 km/s y elevación de 10 grados.
  • Cohete delta-V de ~0,63 km/s para inyección orbital.
  • Lánzate a una órbita polar con varios miles de kilómetros de alcance oceánico para que los accidentes no arrojen desechos hipersónicos en los países habitados.

(Solía ​​haber un buen libro electrónico disponible en su sitio web , pero ya no es gratuito. Obtuve una copia gratuita y contiene información técnica... más que la página de Wikipedia, pero no tanto como yo me hubiera gustado.)

El ligero aumento en la velocidad de salida en comparación con su diseño sugerido no es particularmente interesante, pero el túnel de aceleración mucho, mucho más largo apunta a que la gente de StarTram es algo más conservadora sobre a) la capacidad de sus aceleradores magnéticos yb) la capacidad del carga transportada en el proyectil para sobrevivir a las fuerzas de aceleración. La conmutación de energía para un cañón de bobina grande y el manejo del desgaste del riel y la formación de arcos en un cañón de riel aumentarán enormemente el costo del sistema. Comparado con eso, los autores de StarTram creen que construir un túnel de vacío de 130 km será barato.

Sugieren que un proyectil adecuado (y su contenido) sufrirá una aceleración de 30  g a lo largo del cañón, y luego una breve desaceleración de ~10-20  g cuando sale del cañón y golpea la atmósfera. Aquí hay una compensación de calor a arrastre... los proyectiles de punta roma calientan menos, pero disminuyen más la velocidad. El rechazo de calor parece ser un desafío, tal vez requiera algún tipo de sistema de enfriamiento de agua de ciclo abierto, por ejemplo. Parecen seguros de que tendrá suficiente exceso de velocidad para atravesar el resto de la atmósfera sin pérdidas sustanciales, por lo que solo se necesitará un pequeño impulso para mantenerlo en órbita.

Creo que el principal obstáculo tecnológico que observaron fue la fuente de alimentación (y recuerde que su acelerador es un poco más suave que el suyo, por lo que pueden salirse con la suya con una fuente de alimentación con una salida de potencia máxima más baja) . Sugieren que el almacenamiento de energía magnética superconductora (SMES) haría el trabajo... 60 bucles de almacenamiento superconductores, cada uno de 250 m de diámetro con corrientes de 10 MA para almacenar ~50 GJ cada uno, y ocupando unos 50 km de túneles por sí mismos. Existen unidades SMES de gran tamaño, pero no tantas que sean tan grandes y proporcionen tanta potencia. El equipo de conmutación probablemente será formidable, y entre eso y los sistemas de almacenamiento de energía probablemente constituya la mayor parte del costo del proyecto.

Todo lo demás parece ser una "simple cuestión de ingeniería": nadie ha hecho una ventana de plasma gigante, pero parece que el diseño debería escalar bien. Nadie ha fabricado un maglev de 8 km/s, pero los prototipos de sistemas de lanzamiento en trineo han logrado 3-4 km/s sin el beneficio de los grandes tubos de vacío maglev. Existen largos túneles subterráneos. Algunos, como en el LHC , incluso están llenos de imanes y superconductores. Etcétera.

No, el mayor obstáculo será persuadir a alguien para que pague por la maldita cosa, ¡y eso parece ser un desafío mucho más difícil que cualquiera de las preocupaciones de ingeniería! La mayor parte del libro electrónico StarTram básicamente habla de todas las cosas maravillosas que podrías hacer con tu arma espacial una vez que hayas reunido suficiente dinero para construirla. El costo estimado en 2006 fue de unos 20 mil millones de dólares, y todos saben cuán optimistas son estas cosas...

Disfruté leyendo esto, +1. Hay algunos documentos técnicos vinculados desde la sección de "recursos" de su sitio web. Me gusta especialmente cómo describen el tubo de aceleración evacuado de 100 km como "corto".
todavía más barato que SLS
Como usted dice, esa estimación de costos fue ridículamente baja, probablemente más cerca de un billón que de mil millones. En realidad, estos desafíos de ingeniería son problemas absolutamente masivos, cualquiera que pueda ser un proyecto que termine por sí solo. E incluso si lo hace todo correctamente, sus cargas útiles seguirán siendo extremadamente limitadas; Dudo que incluso los satélites del tamaño de Starlink puedan sobrevivir. Pero en realidad, el mayor obstáculo es que los cohetes reutilizables han resuelto el problema que esto (y el espacio el) estaban tratando de abordar y son una mejor solución en cada métrica.

Muchos esquemas de lanzamiento novedosos necesitan cierta cantidad de ayuda de los cohetes. Lo que mata a muchos de ellos es hacer un estudio de compensación de simplemente agrandar la parte del cohete y deshacerse de la parte que no es del cohete. Sorprendentemente a menudo, eso resulta ser mejor y más barato. --Henry Spencer

Este es un sistema que necesita una parte del cohete, ya que uno de estos dos casos tendría que ser cierto:

1) La nave espacial sale del túnel de levitación magnética a una velocidad significativamente menor que la orbital, en cuyo caso necesita una parte del cohete para alcanzar la velocidad orbital.

o

2) La nave espacial sale del túnel de levitación magnética a una velocidad casi orbital, en cuyo caso necesitaría un cohete para mantenerse al día con la enorme resistencia atmosférica.

En cualquier caso, se aplica la regla empírica de Henry Spencer.

Si bien el aire en la cima de una montaña es delgado, aún es lo suficientemente espeso como para respirar. Las naves espaciales que se encuentran con esa parte de la atmósfera a velocidades tan altas actualmente necesitan fuertes escudos térmicos.

Incluso con los cohetes de lanzamiento "lentos" de hoy en día, la presión dinámica máxima que experimentan es un problema difícil, y con una velocidad inicial mucho más alta, el problema se vuelve mucho peor.

Por cierto, el aire en la cima del Everest no es lo suficientemente denso para respirar para la mayoría de los humanos. Hay una zona de muerte.
a # 1.) de acuerdo, arrastre masivo. SÍ, el vehículo sale a una velocidad muy inferior a la orbital, con el cohete y el combustible adjuntos. A una altitud específica, el cohete se dispara y luego acelera a LEO. Si la inercia lleva el vehículo a una altitud de 48-50k pies, luego enciende el cohete, hay un gran ahorro de combustible/masa en el lanzamiento. #2. imposible. ¿Quién es Henry Spencer?
El concepto de cañón de riel a órbita basado en la luna, desde una base polar lunar, luego se convierte en tecnología viable para extraer cantidades de H20 a LO, para la cosecha orbital como combustible para expediciones solares... Uwe: El cañón de riel a LEO no está destinado a la ocupación humana debido a la aceleración cargas
@QuentinParker ¿Quién es Henry Spencer? Puede buscar el nombre en este grupo e Internet. O leer wikipedia .
Las naves espaciales que se encuentran con esa parte de la atmósfera a velocidades casi orbitales tienden a romperse. El aerofrenado para el reingreso generalmente ocurre a una altitud de más de 50 kilómetros.
@Uwe: El aire, que apenas no es lo suficientemente espeso para respirar, podría ser 10 veces más espeso de lo que puede romper su nave espacial si va demasiado rápido.
"La nave espacial sale del túnel de levitación magnética a una velocidad casi orbital, en cuyo caso necesitaría un cohete para mantenerse al día con la enorme resistencia atmosférica". ¿Quizás podría usar dos cañones de riel en tándem? El primero dispara un "proyectil" no orbital de sacrificio para apartar brevemente la atmósfera y el segundo dispara su carga útil orbital hacia el vacío/estela/vórtice momentáneo dejado por el paso de la carga útil de sacrificio. Tendrías que coordinarlos con mucha precisión, por supuesto. Y en algún momento, el caparazón debe apartarse de alguna manera del camino del orbitador.
@aroth El mismo acto de "empujar la atmósfera fuera del camino" hará que el primer proyectil se desacelere rápidamente, por lo que su carga útil real (que no encuentra tanta resistencia, por lo que no se ralentiza tanto) se estrellará contra él.
Sí, sin embargo, el primer proyectil es un sacrificio, por lo que podría estar sujeto a mayores fuerzas G/lanzado a una velocidad inicial mucho mayor. Y tal vez diseñado (o instruido) para romperse poco antes de donde la carga útil comenzaría a alcanzarlo.

La longitud del túnel será, en mi opinión, el factor más importante.

Aceleración

Según Wikipedia, la velocidad de escape de la Tierra es de 25 020 mph (40 270 km/h) o 6,951 mi/s (11,186 km/s). Incluso si reducimos eso a, digamos, 16 000 mph (25 750 km/h) (como sugirió Alexander Vandenberghe en los comentarios) para compensar la altura de la montaña, sigue siendo una velocidad considerable.

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

Podemos usar una combinación de un par de calculadoras en línea (vinculadas a continuación en la sección de Recursos) para algunos cálculos "simples". Si partimos de 0 para la velocidad y 16.000 mph para una velocidad final. Podemos conectar diferentes aceleraciones para averiguar cuánto tiempo llevará llegar a esa velocidad en la calculadora de aceleración. Luego, usamos la velocidad promedio de 8000 mph (suponiendo que aumentamos la velocidad linealmente, en lugar de exponencialmente o algo más), podemos ingresar el tiempo de la primera calculadora para obtener la distancia total que se necesita para obtener la longitud del túnel usando el calculadora de velocidad

Si ponemos en una aceleración "modesta" de 5 G, obtenemos una longitud de túnel de casi 325 millas (523 km). Incluso si aumentamos drásticamente esa aceleración hasta 17 G, todavía estamos viendo un túnel de más de 95 millas (153 km) de largo. Como referencia, el túnel más largo del mundo tiene 85,1 millas (137 km) de largo y solo 13,5 pies (4,1 m) de ancho.

La mayor aceleración que un ser humano ha podido soportar es de 46,2 G, realizada por el oficial de la Fuerza Aérea John Stapp. Este seguiría siendo un túnel de más de 35 millas (56 km) de largo. Además, debemos considerar que cortar el oxígeno al cerebro durante más de 1 minuto matará a las personas. Esto requiere al menos 12,5 G durante 59 segundos, si no nos preocupamos por el daño cerebral y solo por la muerte. Esto requeriría un túnel de 131 millas (211 km) de largo.

Resistencia del aire

A pesar de que habríamos reducido el aire en el túnel debido a la única abertura existente en la parte superior del túnel, todavía tenemos que lidiar con muchas millas de ese aire antes de salir del túnel. Hay 2 opciones básicas para lidiar con eso:

  1. Empuje todo el aire frente a la nave porque encaja exactamente en el túnel sin espacio para que el aire circule alrededor de la nave mientras acelera.
  2. Deje espacio alrededor de la embarcación para que el aire fluya a su alrededor.

La opción 1 es una mala idea, ya que crea la mayor cantidad de resistencia, además de crear potencialmente fuerzas de huracán a medida que la nave empuja el aire fuera del túnel frente a ella. También deja un vacío detrás de él, creando succión contra el movimiento hacia adelante de la nave y también succionando aire hacia el interior del túnel cuando sale. Hay demasiadas razones por las que esto es una mala idea.

La opción 2 tiene sus problemas, ya que el aire tenderá a acumularse frente a la nave causando más resistencia, a menos que haya suficiente espacio alrededor para evitarlo, lo que tendría que aumentar el tamaño del túnel a medida que aumenta la velocidad.

Hay una tercera opción, selle el extremo del tubo y cree un vacío dentro del túnel, luego rompa el sello justo antes de que la nave salga del túnel. Esto crearía un diferencial de presión que destrozaría la nave. Esto es parte de por qué Hyperloop está teniendo problemas.

intrusiones

Tendría que haber alguna forma de evitar cualquier tipo de brecha en este túnel. Las personas, los animales y las aves pueden sentir curiosidad por saber qué es esta gran abertura y entrar para ver qué es. Si estuvieran allí para un lanzamiento, sería un gran desastre, y no solo para el gorrión desprevenido que construyó un nido en la barandilla. La nave probablemente resultaría gravemente dañada, si no mutilada mortalmente por este tipo de impacto.

Pero también considere algo tan pequeño como una gota de agua. Con un peso aproximado de 0,05 gramos, si golpea la nave cuando sale del túnel a 16 000 mph, golpea con casi 1300 julios de fuerza. Eso es casi el doble de la fuerza de una pistola .357 magnum a 790 J y casi tanto como un .45 Colt a 1600 J. Incluso si la nave "solo" va a 1000 mph, todavía está golpeando la nave a casi 5 J, lo que no es mucho en sí mismo, pero aún así no sería deseable. Golpear múltiples caídas como esta probablemente crearía suficientes impactos y ruido para que Control de lanzamiento considere seriamente un aborto.

Esto significa que el túnel tendría que estar completamente sellado en toda su longitud para evitar cualquier tipo de brecha, incluso contra fugas de agua. Y debido a que la roca aún es permeable, tendría que sellarse contra el aire, para que aún pudiera mantener la baja presión de aire otorgada por la abertura en la cima de la montaña. Después de años de operación, eventualmente se filtraría suficiente aire y otros gases para aumentar significativamente la presión de aire del túnel. Sellarlo aumentaría considerablemente el costo de construcción y tendría que ser monitoreado y mantenido/reparado constantemente, lo que aumentaría aún más el costo.

Otra consideración

Estoy seguro de que hay otras razones por las que un túnel de esta longitud será un factor determinante de por qué probablemente no se construya. Los costos iniciales y de funcionamiento son definitivamente un factor importante, pero hay otros que estoy seguro de que no he considerado. El tiempo de construcción y la cantidad de materiales son considerables, y tomaría más tiempo y esfuerzo estimar de lo que tengo tiempo para considerar en este momento.

Y hay muchas otras consideraciones que no están relacionadas con la longitud del túnel, pero no voy a entrar en ellas, ya que solo quería centrarme en la longitud del túnel. Dejaré que otros los investiguen.

Recursos

https://www.omnicalulator.com/physics/acceleration

https://www.omnicalulator.com/physics/velocity

https://www.omnicalulator.com/physics/kinetic-energy

Como estamos parados al nivel del mar, una fuerza G estándar de 1 G está actuando sobre nosotros. El récord de fuerza G más alta en una montaña rusa es 6,3, y solo es manejable porque dura solo unos segundos. Los pilotos de combate pueden tener que soportar hasta 8 o 9 G mientras usan trajes comprimidos especiales, diseñados para mantener la sangre en la parte superior del cuerpo y evitar desmayos.

Es difícil calcular el nivel exacto de fuerza G que mataría a un ser humano, porque la duración de la exposición es un factor muy importante. Hay incidentes aislados de humanos que sobrevivieron a fuerzas G anormalmente altas, en particular el oficial de la Fuerza Aérea John Stapp, quien demostró que un humano puede soportar 46,2 G. El experimento solo duró unos segundos, pero por un instante, su cuerpo pesó más de 7,700 libras, según NOVA.

Mire el video a continuación para ver un ejemplo interesante de fuerzas G letales de alta intensidad de un proyecto de diseño llamado Euthanasia Coaster. Hipotéticamente, por supuesto, mataría a cualquiera que lo montara al cortarle el oxígeno al cerebro. Este diseño particular coloca el nivel de exposición letal en un minuto de 10 Gs.

https://www.medicaldaily.com/breaking-point-whats-strongest-g-force-humans-can-tolerate-369246

Abastecimiento de agua Acueducto de Delaware Estados Unidos Estado de Nueva York, Estados Unidos 137.000 m (85,1 mi) 1945 4,1 m de ancho. El principal túnel de suministro de agua de la ciudad de Nueva York, perforado en roca sólida.

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

Si alguna vez ocurriera una brecha, el aire se precipitaría a velocidades supersónicas con una fuerza de 30.000 kilogramos en toda la sección transversal.

El aire continuaría corriendo por la vía con una fuerza explosiva hasta que la presión se igualara o hasta que chocara contra un objeto, muy probablemente contra las cápsulas del tren.

Con solo 3 PSI (libras de presión por pulgada cuadrada), el aire puede causar un daño significativo al cuerpo humano con el potencial de provocar la pérdida de vidas humanas. A 5 PSI, los edificios comenzarían a derrumbarse y las muertes serían generalizadas. Con 10 PSI, los edificios de concreto reforzado se dañan severamente o pueden derrumbarse por completo. Se esperaría que la mayoría de la gente muriera.

En el caso del Hyperloop, el aire entraría en el tubo a 15 PSI (!) equivalente a una atmósfera o 10.000 kg por metro cuadrado. Al entrar en cualquier perforación, la presión atmosférica abriría el tubo como si fuera una lata. Todas y cada una de las cápsulas que se interponen en el camino se triturarían instantáneamente. Es casi seguro que los resultados serían mortales.

https://interestingengineering.com/biggest-challenges-stand-in-the-way-of-hyperloop

Una gota de agua es 0,05 mL de agua, por lo que su masa sería de 0,05 gramos.

https://www.thoughtco.com/atoms-in-a-drop-of-water-609425

Una bala de 180 granos (12 g) disparada con una pistola Magnum .357 puede alcanzar una energía inicial de 580 libras-pie de fuerza (790 J). Una bala de 110 granos (7,1 g) disparada con la misma arma solo podría alcanzar 400 libras-pie de fuerza (540 J) de energía inicial, según la fabricación del cartucho. Algunas municiones .45 Colt pueden producir 1,200 libras-pie de fuerza (1,600 J) de energía inicial [...]

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

IK08 - Protegido contra 5 julios de impacto (el equivalente al impacto de una masa de 1,7 kg [3,7 libras] que cae desde una altura de 300 mm [1 pie] por encima de la superficie impactada)

https://lumascape.com/ik-ratings

¿Cuáles son los mayores desafíos para los sistemas de lanzamiento de cañones de riel a gran altitud?
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