¿Puedes tomar una nave espacial con un tren en la Luna?

Es un reverso ingenioso del viejo concepto de lanzador de cañón de riel en la ladera de una montaña.

Hay algunas dificultades prácticas. Por un lado, apenas podemos construir una infraestructura ferroviaria fija capaz de alcanzar 400 km/h, mucho menos 8300. La mayoría de los maglev actuales funcionan más lento que eso, y no todo se debe a la resistencia del aire. Resulta que un error de 1-2 cm en la topografía y la construcción y otras variaciones menores en la fuerza del imán conducen a un viaje realmente accidentado. No hay razón para esperar que los problemas cinéticos disminuyan a medida que aumenta la velocidad. El mantenimiento también se vuelve mucho más costoso a medida que aumentan las velocidades.

Otra gran dificultad práctica es la misma que enfrenta la interceptación de misiles: dos masas muy rápidas que deben encontrarse con precisión . 8300 km/h son 2,31 km por segundo (apenas por debajo de la velocidad de escape de 2,38 km/s, por lo que un error de redondeo podría tener un gran impacto). Para que una garra de atraque de 1 m se agarre correctamente, ambas embarcaciones deben alcanzar el mismo punto objetivo con menos de 0,0004 segundos de diferencia.

Volvamos a la guía. Debe contener las fuerzas del tren más la nave espacial agarrada vertical y horizontalmente. Y, a veces, esa fuerza vertical puede ser un gran impulso o una fuerte oscilación a medida que el vehículo combinado se estabiliza en los segundos posteriores al agarre. Parece que una gran fracción de su poder debe destinarse simplemente a mantener el tren en su lugar verticalmente en la vía guía contra esas fuerzas verticales inesperadas... para que no se rompa y se arrastre al espacio (o se estrelle contra la vía guía) por ese molesto error de redondeo en el vector vertical de la nave espacial.

Finalmente, el mayor problema es que simplemente no hay forma de hacer que esto falle de manera segura bajo muchas condiciones. Cualquier tipo de falla en la guía sería catastrófica. Una interrupción del suministro eléctrico mientras el tren está en movimiento sería catastrófica. Un pequeño error al medir la posición o la velocidad de la nave espacial daría lugar a encuentros perdidos (y un enorme desperdicio de energía)... o una catástrofe.

El principal desafío que veo es que estás acelerando un objeto que levita a una velocidad muy cercana a la velocidad de escape de la Luna. Esto impone dos problemas:

• Si no frena, el tren saltará muchos kilómetros de altura. Tardará algunos minutos en volver a caer al suelo a una velocidad extremadamente alta. De hecho, si la nave choca e imparte impulso al tren, el tren puede incluso escapar de la Luna.
• Estar pegado a un planeta mientras se vuela tan cerca o por encima de su velocidad de escape requiere una cantidad inmoral de fuerza hacia abajo. Tanto el barco como el tren deben estar hechos de una aleación de unobtanium-adamantium-uru.

¿Por qué necesitas el tren? Las otras respuestas señalan muy bien que incluso el error más pequeño conduciría al desastre, incluso si todo lo demás pudiera funcionar. Pero, a menos que esté buscando una escena improvisada de Misión Imposible (en cuyo caso todo vale), entonces el tren es redundante.

Esto es lo que podría hacer: en lugar de una pista de levitación magnética de ancho fijo, construya una secuencia de imanes toroidales a lo largo de un cono horizontal muy alargado. Dale al primero un diámetro de un kilómetro y haz que el último sea un poco más ancho que la nave espacial. El barco sobrevuela el primero, frena ligeramente y corrige su rumbo hacia el eje central. El siguiente lo ralentiza aún más y vuelve a corregir el rumbo, y así sucesivamente. Para cuando estés en el último, tu nave estará centrada y lo suficientemente lenta.

Lamentablemente, hay un montón de razones por las que esto todavía no funcionaría. Simplemente generar un campo magnético con una fuerza significativa en un gran volumen sería prohibitivo. La energía volumétrica del campo magnético es$B^2/2\mu_0$, lo que resulta$10^7/8\pi\>\> J/m^3$para campo 1T. Cálculo de la energía total dentro de un$100\:km\times1\:km$cono se deja como ejercicio para el lector. Al igual que la energía que se depositaría en la nave espacial durante la desaceleración, y las tensiones en los toroides, y el resultado de una aproximación que está un poco fuera del eje, y cómo funcionan la desaceleración y las correcciones de rumbo, y. .. No. Lo siento, no.

Editar, reconocimiento

Vi después de publicar que Kyle esencialmente propuso el mismo enfoque e incluso resolvió las respuestas que yo era demasiado perezoso para calcular. Me rindo a usted, señor.

No he leído la novela y, por lo tanto, desconocía su uso allí, se me ocurrió la idea de forma independiente y mi solución aborda muchos de los problemas mencionados en otras respuestas. Mi acercamiento:

• Esto es parte de un sistema más grande. La pista está envuelta alrededor del ecuador. Esto le da mucho tiempo para poner el sistema al día y hacerlo coincidir con la nave espacial objetivo. Si bien necesita una precisión de submilisegundos, tiene mucho tiempo para hacer coincidir el tren de captura con la nave espacial; la coincidencia no debería ser un problema. Esto también elimina el modo de falla de falla para detener. Si tienes un problema, puedes seguir adelante.

• La nave espacial está sujeta con conectores largos . La nave espacial está en una órbita con un periápside muy bajo, pero no chocará contra la luna si se comete un error. Falla un garfio y vuelves a dar la vuelta.

• Los trenes Maglev tienen una velocidad limitada por estar en la atmósfera. No tiene problema con las ruedas en una pista, no tiene problema con empujar el aire fuera del camino. Ir a 2000 m/s en lugar de 100 m/s no va a ser un gran problema.

• Todo el sistema es más seguro si el tren se mueve realmente por encima de la velocidad orbital. (Tenga en cuenta que los extremos de las garras inherentemente deben estar por encima de la velocidad orbital, tener el tren en sí mismo por encima de la órbita no es un problema). La forma de evitar que salga volando es que tiene 4 rieles en lugar de los dos habituales. Esto puede estar realmente encima del tren o el tren puede tener una pieza que se extiende entre los rieles y se desplaza sobre los rieles que apuntan hacia abajo debajo. Mecánicamente, este último es más simple, pero no sé si se podría evitar que los imanes interfieran.

En uso, el tren alcanza la velocidad y luego ajusta su velocidad para que llegue debajo de la nave espacial cuando alcance el periápside. Para ser simple pero derrochador, simplemente podría mantener el tren directamente debajo de la nave espacial. Las garras se lanzan hacia arriba. Si fallan por cualquier motivo, simplemente vuelva a enrollarlos y vuelva a intentarlo en la siguiente órbita. Si se enganchan, la nave espacial primero se coloca en una órbita circular y luego se baja al carro de agarre donde está más sólidamente conectado para la fase de desaceleración.

Tenga en cuenta que dije que esto era parte de un sistema más grande: esta pista es útil para mucho más que el aterrizaje de naves espaciales. Dado que el tren excede la velocidad orbital, puede usarse tanto para el lanzamiento como para el aterrizaje. No solo eso, sino que si lo construyes fuerte, puede generar algunas velocidades bastante altas. La órbita es de 1,73 km/s (a 100 km, no tengo suerte para encontrarla a 0 km), lo que genera 1,62 m/s de fuerza centrífuga (que coincide con la gravedad lunar). Aceleremos nuestro tren para que la nave espacial se sienta 1 g hacia afuera. Ahora se mueve a 12,2 km/seg. Suéltalo y sale de la luna con más de 10 km/seg de velocidad (recuerda, Oberth, no solo restes la velocidad de escape). Muy pocas naves de la NASA han excedido esto, pero esto no está cerca del límite de este sistema. Llevémoslo hasta 5g, tanto como queramos para un lanzamiento tripulado. Ahora se expulsa a 54 km/seg y casi no pierde nada de eso por la gravedad de la luna. Eso te da cualquier cosa, desde golpear el sol hasta escapar solar. Las misiones no tripuladas se pueden lanzar incluso más rápido.

Sí. Puedes hacerlo.

Esta es, literalmente, todas las maniobras de acoplamiento en órbita de la historia. Las respuestas anteriores cubren la mayoría de los aspectos importantes, pero el consenso de que esto es casi imposible es un poco tonto. Aún necesitará un poco de combustible en la nave espacial, ya que es el principal responsable de alinear el punto de encuentro, el tren solo puede acelerar o reducir la velocidad y, a medida que el vehículo se acerca, tendrá los seis grados de libertad.

Si se requiriera algún cambio de inclinación, necesitaría cargar combustible, pero su caso de uso particular lo aborda. En cuanto a no ver esto en ninguna parte, cuando estaba investigando Launch Loops (básicamente usando un acelerador lineal autosuspendido - tren maglev - para lanzar cargas útiles directamente a la órbita) descubrí que en la Tierra esta es posiblemente una idea peor que un ascensor espacial. Lo que requiere algo de trabajo. Pero en la Luna, puede tener un acelerador en la superficie y lanzar cargas útiles directamente en una órbita muy elíptica, y circular en el apogeo. Si no circulariza, la carga útil regresa y roza la superficie en el perigeo, lo que podría ser un mal día. Pero ese es el objetivo de lo que está haciendo, ejecute el proceso de lanzamiento a la inversa y estará listo para comenzar.

Algunas de las respuestas anteriores generaron algunas preocupaciones válidas sobre la parte ferroviaria de su sistema. Sin embargo, estos problemas son principalmente desafíos de ingeniería de control que, si bien son muy difíciles, probablemente se puedan resolver con suficiente tiempo, dinero e incentivos (puedo pensar en algunos programas grandes con mucho tiempo y dinero que no parecen lograr mucho, así que #3 es importante). Definitivamente recomendaría que considere por qué su gente tenía la razón y los medios para resolver un problema tan complicado.

Si bien los otros carteles han brindado excelentes respuestas con respecto a la dificultad, lo que realmente estamos viendo es una inversión del controlador de masa en la luna que se usa para lanzar cargas útiles. Tomado de esta manera, y no como un tren, es factible, aunque algo desafiante. Tal vez las cápsulas de carga no tripuladas serían un uso más razonable del sistema (que también reduce las limitaciones debidas a las fuerzas de desaceleración de los pasajeros humanos.

Esencialmente, en lugar de intentar aterrizar una carga útil en una plataforma de tren en movimiento, la cápsula simplemente apunta a la garganta de un embudo de gran diámetro, que es el impulsor de masa. A medida que pasa por cada bobina, la cápsula pasa a través de un campo magnético y, al igual que el cable de un generador, genera electricidad, que es recopilada por la infraestructura del controlador de masa y almacenada en bancos de condensadores gigantes, volantes que giran locamente o cualquier otro sistema eléctrico. en uso en este momento.

Ilustración de un posible diseño de controlador de masas. Un "receptor de masas" simplemente funcionaría a la inversa

Dado que es una cápsula no tripulada, el sistema podría ser tan corto como 200 m (ver aquí ), mientras que una cápsula tripulada podría tener decenas o incluso 100 km para reducir las tensiones de desaceleración o aceleración.

Cuando la cápsula ha disminuido la velocidad lo suficiente, puede "aterrizar" en una pista, pero durante la mayor parte del viaje estará suspendida en el campo magnético y sin tocar físicamente nada.

Su enorme tren de levitación magnética es, obviamente, levitado y acelerado por (electro)imanes, y debe tener muchas veces la masa de la nave espacial.

La energía para alimentar esos imanes debe provenir de algún lugar del planeta, como una planta de energía nuclear, o tal vez de la energía solar. No habrá combustibles fósiles en Marte, y aunque el combustible nuclear podría enviarse desde la Tierra, otras formas de combustible no lo serían; eso anularía el propósito.

La solución obvia, para mí, es poner tanto la planta de energía nuclear como los electroimanes en el espacio , a unos pocos millones de kilómetros de Marte. La misma energía magnética que se usa para levantar y acelerar este tren gigante se puede aplicar a la nave misma en una distancia muy larga en el espacio, y no tendrás que lidiar con el problema de las tolerancias en un lugar desigual y posiblemente cambiante (y definitivamente giratorio). ) superficie planetaria.

En el espacio, no tienes que lidiar con factores de fuerza confusos como la atmósfera marciana en movimiento (es delgada pero hay clima), el terreno, las tormentas de polvo marcianas y los vectores de compensación para la rotación o curvatura planetaria. Es un entorno más limpio y simple y para los ingenieros, esto permite una precisión mucho mayor y acercamientos más cercanos, los pequeños empujones de los cohetes de dirección pueden cambiar el rumbo en una centésima de centímetro.

Para que tu nave pueda navegar a la misma distancia de los rieles, los rieles tienen la misma longitud que los de Marte (y podrían ser más cortos, porque en el espacio podrías tener seis rieles que rodeen la nave en los puntos de un hexágono), la potencia aplicado es el mismo. Pero los rieles pueden ser perfectamente rectos, la trayectoria de la nave espacial perfectamente recta y centrada. Los propios rieles se pueden unir en un anillo para mantenerlos alineados. Pueden ser tan masivos (o mucho más masivos) que el tren; el hierro es muy barato en el espacio (asteroides). Con la planta de energía nuclear, cualquier cambio de la plataforma de desaceleración se puede corregir mediante propulsión magnética de propulsión nuclear (acelerando átomos a una velocidad cercana a la de la luz en la dirección opuesta al viaje deseado).

Después de reducir la velocidad de la nave lo suficiente, aterriza en paracaídas, tal como lo han hecho nuestras sondas, o incluso podrías guiarla a la órbita y (robóticamente) desplegar solo los suministros en paracaídas a la superficie planetaria. Luego, la nave podría dar la vuelta y exactamente los mismos cañones de riel en el espacio podrían acelerarla lejos de Marte de regreso a la Tierra.

Puede estar vacío o podría transportar tripulación y productos de regreso a la Tierra. Independientemente de cómo esos productos devueltos lleguen a la órbita de Marte, sin duda sería menos intensivo en energía enviarlos solos a la órbita, que enviarlos Y la nave.

Según este esquema (que inventé aquí sobre la marcha), la nave nunca abandona el espacio, por lo que la nave espacial puede ser solo una nave espacial, no tiene que estar diseñada para funcionar tanto en tierra (Tierra o Marte), resistir el lanzamiento esfuerzos, tener tren de aterrizaje, o incluso estar orientado por gravedad, puede ser, por ejemplo, un cilindro en rotación permanente con gravedad centrífuga 0.25G, más cómodo para los pasajeros humanos (lavar, dormir, cocinar, hacer sus necesidades, hacer ejercicio, trabajar, etc.) y más conveniente para empacar y almacenar (no tiene que poner todo en la red ni atarlo en su lugar).

Por supuesto, esta nave cilíndrica puede tener una sección centrífuga y una sección de gravedad cero no giratoria, si se desea almacenar la gravedad cero o si es útil para algunas operaciones científicas o técnicas.