En general, desea viajar lo más liviano posible, ya que esto mejorará su presupuesto delta-v.

Con la tecnología actual, la masa de su nave espacial disminuirá enormemente hacia el final de la misión. Habrá algunos consumibles que no se podrán reciclar. En particular, se ventilará el propulsor (como gas de escape). Eso es cierto incluso para los propulsores de iones. Cuantos menos consumibles/propulsor lleves, menos estructura necesitará tu nave.

La relación entre la reducción de masa y el tiempo restante de la misión con la tecnología actual es relativamente alta, por lo que tiene sentido deshacerse de la estructura que ya no se necesita. Piense en las etapas de ascenso que se desechan tan pronto como se agota el combustible.

La ciencia ficción se trata de tecnología ficticia. Si logra viajar y mantener la vida a bordo con menos consumibles, esa puede ser una historia completamente diferente: lo que necesita al final puede no ser mucho menos de lo que comenzó.

Con respecto a "expulsar en dirección opuesta": De esto se trata la propulsión, expulsar algo pesado con la mayor velocidad posible. La nave principal tiene mucha más masa que los gases de escape de sus propulsores, eso es algo bueno. Pero puede ser difícil lograr un delta-v decente en la eyección sin desintegrarlo todo. Tal vez una buena idea sería tener un cañón de riel y disparar pequeños pedazos de su nave nodriza en una dirección progresiva uno por uno, extendiendo así el delta-v durante un tiempo más largo.

Necesitas desacelerar porque solo trajiste lo que necesitabas.

Los viajes espaciales son caros. Los viajes espaciales interestelares, por partida doble. Se va a centrar mucho esfuerzo en la eficiencia. ¿Qué tan poco puedes enviar a otro planeta y aún así tener una misión viable?

Si lo piensas, puedes hacer un inventario de lo que no querrás llevar contigo para tu nueva colonia. Debería ser una lista mínima. Todo lo que trajiste contigo debería ser útil. Diablos, incluso el casco de su nave espacial seguramente es muy valioso. Desperdiciar no querer no. Cuando realmente te pones manos a la obra, no hay mucha masa que quieras dejar que siga volando hacia la oscuridad del espacio.

Además, considere la fuerza de la aceleración. Si hablamos de la mayoría de los viajes interestelares de ciencia ficción, pasas mucho tiempo acelerando a un ritmo muy lento. Idealmente, lo hace de una manera eficiente en combustible. Si te lanzas cerca del planeta, necesitarás retrocohetes muy potentes para reducir rápidamente la velocidad de tus naves más pequeñas. Eso significa muchas fuerzas G. Demasiado cerca, y es posible que sus humanos no sobrevivan a la desaceleración.

Por otro lado, si tiene que desacelerar su embarcación pequeña durante mucho tiempo, la distinción entre su embarcación pequeña y su embarcación más grande se vuelve borrosa. Su pequeña embarcación de repente necesita toda la estructura y el soporte vital necesarios para mantener con vida a sus pasajeros durante este período de desaceleración. ¡Si no tienes cuidado, de repente te encuentras necesitando tantas cosas que podrías haber desacelerado todo el barco!

Razón 1: Abandonar el sistema nuevamente

El problema con su propuesta es que probablemente no haya forma de que la pequeña nave de aterrizaje abandone el sistema planetario. En la mayoría de las historias/películas de ciencia ficción, según mi experiencia, las naves de aterrizaje son pequeñas, elegantes y están diseñadas para bajar al planeta y luego regresar. Tienen motores lo suficientemente potentes solo para regresar a la nave nodriza, y no mucho combustible. Los diseños son minimalistas.

Aquí hay un ejemplo. Toma el caza estelar de Obi-Wan de El ataque de los clones :

Tiene un anillo separado para viajar por el hiperespacio; los motores del barco en sí no son lo suficientemente potentes. Al mismo tiempo, el anillo no es, supongo, muy útil durante el reingreso, o al aterrizar, para el caso. Necesita alguna otra forma de ponerse al día con la nave nodriza, o una forma de salir del sistema.

Si está escribiendo ciencia ficción dura, es probable que un anillo hiperespacial no aparezca en su historia. Las probabilidades son buenas, entonces, de que su nave de aterrizaje necesite una forma de llegar al sistema estelar y partir nuevamente. La nave nodriza debe permanecer allí para que la nave pueda partir nuevamente, a menos que la tripulación esté en un viaje de ida.

Razón 2: Entrar al sistema

En cualquier caso, sin embargo, la nave tendrá que desacelerar. Si viajas a cualquier velocidad que haga plausible el viaje interestelar, vas bastante rápido. Es muy probable que vaya a una velocidad más rápida que la velocidad de escape del planeta, si no más rápida que la velocidad de escape del sistema. Si tiene la intención de tener algún tipo de control y aterrizar en el planeta sin chocar, entonces probablemente debería desacelerar. Un montón. Nuevamente, es probable que la lancha de desembarco no tenga motores lo suficientemente potentes para esto.

¿No sería mejor acelerar todo el camino, luego dejar la nave para pequeños módulos de aterrizaje y desacelerar mientras permite que la nave interestelar se aleje del sistema estelar?

Esto implica que el aterrizaje es un viaje de ida: si los pequeños módulos reducen la velocidad para aterrizar mientras la nave nodriza sigue acelerando, nunca volverán a alcanzarla. Si esa es la intención, bien. Si no, acabas de dejar a la gente varada en un planeta extraño para siempre.

El primer problema que asoma su fea cabeza es la aceleración. Suponga que su nave nodriza ha estado acelerando a 1 g desde el origen hasta el destino. Si desea que la carga en su módulo de aterrizaje también sea de 1 g, deberá despacharlo en el punto medio. Envíelo más tarde y la carga g será mayor. Para equipos diseñados para soportar cargas g altas, eso no es un gran problema. Para cargas útiles blandas (también conocidas como sacos de carne, también conocidas como personas), tendrá que mantenerla alrededor de 1 g más o menos.

Obviamente, si su nave nodriza está acelerando a un ritmo más lento, puede enviar el módulo de aterrizaje más adelante en el viaje para mantener la aceleración alrededor de 1 g. Pero pase lo que pase, tendrá que tener en cuenta esa aceleración.

Esto nos lleva a un segundo problema: la cantidad de tiempo que se dedica a reducir la velocidad. ¿Cuánto tiempo le tomará a su módulo de aterrizaje disminuir la velocidad a 1 g más o menos? ¿Unas pocas horas? ¿Unos pocos días? ¿Unas pocas semanas? ¿Unos años? ¿Cuánto soporte vital lleva (si lo hay)?

Digamos que su nave nodriza está reservando al 10% c (~30000000 m/s). A 1 g, su módulo de aterrizaje tardaría del orden de un mes en reducir la velocidad (sin tener en cuenta los efectos relativistas).

Pero, está bien, podemos lidiar con la aceleración, podemos lidiar con el tiempo para reducir la velocidad. Esto nos lleva al último problema.

Si está utilizando cualquier tipo de impulsor de reacción (cohete químico, motor de iones, impulsor de pulso nuclear, etc.), necesita masa de reacción (propulsor), y la cantidad de masa de reacción que necesita aumenta exponencialmente con el cambio de velocidad . (ΔV). Esto viene de la ecuación del cohete Tsiolkovsky:

donde

• $\Delta V$es el cambio total de velocidad;
  
• $m_i$es la masa antes de la quema (carga útil más propulsor);
  
• $m_f$es la masa después de la quema (solo carga útil); y
  
• $v_e$es la velocidad de escape efectiva de su unidad (que también se puede expresar como$g * I_{sp}$, donde$g$es una gravedad estándar de la Tierra (9,8 m/s ² ) y$I_{sp}$es el impulso específico de su impulso).

Es posible que haya escuchado la frase "la tiranía de la ecuación del cohete". Ese término logarítmico es lo que lo hace tan tiránico. Si le das la vuelta así:

ves que tu razón de masa $\frac{m_i}{m_f}$crece exponencialmente con ΔV.

Cuanto mayor sea la relación de masa, más kg de propulsor necesitará para acelerar cada kg de masa de la nave espacial. Un MR de 2 significa que necesita 1 kg de propulsor por cada kg de masa de la nave espacial. Un MR de 3 significa que necesita 2 kg de propulsor por cada kg de masa de la nave espacial.

Entonces, supongamos que está usando un motor con un impulso específico ($I_{sp}$) de 1500 segundos (algo así como los motores iónicos de la nave espacial Dawn). Un ΔV de 30000 m/s (~0.01% c) nos da una relación de masa de e^(30000/(9.8*1500)) =~ 7.7. Por cada kg de nave espacial que quieras acelerar, debes gastar 6,7 kg de propulsor. Un ΔV de 60000 m/s (~0,02% c) nos da una relación de masa de 59,24. Un ΔV de 120000 m/s (~0,04 % c) nos da una relación de masa de 3510 .

Para este tipo de motor, para alcanzar el 0,28% de la velocidad de la luz (un poco más de un cuarto del uno por ciento), se necesitaría del orden de casi una masa terrestre de propulsor (2,36-24 kg) por cada kilogramo de masa de la nave espacial que desee. acelerar.

Obviamente, no estamos volando a otro sistema estelar usando motores de iones o, francamente, cualquier otro motor de reacción que tengamos la tecnología para construir. Necesitaría unidades con valores de impulso específicos del orden de 100000 segundos o más, que no estamos cerca de producir, o una verdadera unidad sin reacción (una que no requiere intercambio de impulso), que tampoco estamos cerca de producir.

Básicamente, la respuesta se reduce a la cantidad de combustible que necesita para acelerar y desacelerar. Al planificar una misión interestelar, su espacio de carga útil está limitado por la cantidad de combustible que puede tener a bordo, por lo que cada espacio disponible está lleno de elementos esenciales. Realmente no tienes espacio para lujos. Si desea utilizar este método de cápsulas de escape, esas cápsulas de escape ocupan peso y espacio, lo que contribuye a la cantidad de combustible que necesita para acelerar la nave en primer lugar.

Las propias cápsulas de escape también necesitarán una gran cantidad de combustible para realizar la desaceleración necesaria. Como sabemos por la ecuación del cohete de Tsiolkovsky ,$\Delta v = v_e ln \frac{m_0}{m_f}$, lo que significa que a medida que crece delta-v, el combustible necesario crece a un ritmo exponencial. Incluso si los dispara desde el barco en la dirección opuesta, el barco mismo tendrá que llevar el combustible necesario para hacerlo.

Agregue a esto el hecho de que, dado que ha decidido dejar que su nave acelere TOTALMENTE, viajará increíblemente rápido, por lo que esas pequeñas cápsulas de escape deberán desacelerar mucho.

En otras palabras, si bien es posible hacer lo que sugiere, los requisitos de combustible serían tremendos. Casi siempre sería más fácil desacelerar todo el barco. De esa manera, puede utilizar todo el espacio a bordo para el equipo y el personal necesarios. Además, una vez que llega a su destino, puede reutilizarlo o colocarlo en órbita para que actúe como una estación espacial.

Esto solo tendría sentido si hubiera una cantidad sustancial del barco que pudiera desecharse y que solo fuera necesario para el lanzamiento o el tránsito, y no para el tramo final. En primer lugar, echemos un vistazo a algunas suposiciones.

• La estrella más cercana: 4,3 años luz.
• Asumiendo el 10% de la velocidad de la luz, son unos 43 años, más o menos, para llegar allí.
• Suponiendo una aceleración de 0,1 g, eso es aproximadamente un año para acelerar y desacelerar.

De acuerdo, cualquier masa de la que tengas que deshacerte tendrá que ser durante la parte de desaceleración. Eso sigue siendo una parte considerable del viaje. Puede tirar con seguridad en ese momento cualquier contenedor vacío de alimentos, pero para un viaje tan largo, probablemente tenga que cultivar alimentos de alguna manera. Podría volcar cualquier cosa que solo fuera necesaria para la fase de lanzamiento. Pero estaría bastante dispuesto a apostar que necesita la mayor parte de la nave para mantener la vida durante el año requerido para desacelerar.

Hay leyes básicas en la física, una de ellas es la conservación del momento y la energía, también conocida como una de las leyes de Newton. Dice: "Mientras ninguna fuerza cambie la cantidad de movimiento de un objeto, su cantidad de movimiento y energía cinética no cambiarán".

Caso A: aceleración constante

Ahora, tomemos una nave espacial, que acelera todo el camino de A a B con aceleración constante$\vec a$. Mientras no vaya a velocidades relativistas, alcanzará la velocidad$\vec v = t \times \vec a$, donde t es el tiempo de viaje de A a B. Como t es realmente grande, esta será una velocidad muy, muy grande.

Caso B: desaceleración en el punto medio.

Ahora, tenemos nuestro cohete acelerado con$\vec a$durante la mitad del tiempo de vuelo y luego desacelere con a durante la otra mitad. Desacelerar es acelerar con$-\vec a$(¡Usamos vectores aquí!). La velocidad al final será:$\vec v = \frac 1 2 t \times \vec a + \frac 1 2 t \times \vec -a = \frac 1 2 t \times (\vec a - \vec a) = 0$

Pero, ¿por qué deberíamos querer B? ¡¿Necesitaremos mucho más tiempo?!

Discusión

Nuestra Energía depende de la velocidad:$E_{kin}=\frac 1 2 m v^2$. Esta energía cinética se almacena en todo el barco y seguirá manteniendo el barco en el camino, ya que es directamente proporcional a su momento e inercia.

Ahora, queremos dejar caer nuestra cápsula de colonos. Digamos que la cápsula es 1/10 del peso de la nave de transporte. Luego, la cápsula transportará 1/10 de la energía cinética mientras aún viaja casi a su velocidad antes de ser lanzada.

Veamos nuestros casos: En el caso A,$\vec v$sigue siendo ese número muy grande, en el caso B es 0, o cerca, si la desaceleración no fue para la segunda mitad completa del viaje sino algo menos. Para entrar en una buena órbita alrededor del sol de destino, la nave debería desacelerar un poco menos que acelerar.

Solución

Ahora, nuestra cápsula de colonos necesita lograr varios pasos para aterrizar, y cada uno requiere que sea más lento (en términos relativos) que en el paso anterior:

• obtener una órbita con aproximadamente la misma velocidad y radio alrededor de la estrella que el planeta en el que quiere aterrizar
• luego desacelerar en una órbita alrededor de ese planeta
• luego desacelerar en una órbita en descomposición para aterrizar en el planeta

Entonces, necesitamos empacar una gran cantidad de combustible para realizar estas maniobras, y si queremos desacelerar solo la cápsula en el sistema solar, eso no solo requerirá empacar aún más combustible, requerirá motores extremadamente poderosos para que la nave sale del sistema antes de volver a salir de él.

Sin embargo, podemos reducir el costo de combustible para la desaceleración: cada vez que se vacía un tanque de combustible, lo abandonamos para continuar en la trayectoria hacia nuestro destino, reduciendo un poco nuestra masa y, por lo tanto, reduciendo el tiempo necesario para la siguiente fase de aceleración o desaceleración.

La distinción que debe hacerse aquí es entre comodidad y velocidad. Una nave espacial acelera a mitad de camino para ganar la velocidad más rápida para llegar a su destino en el menor tiempo posible, pero a una velocidad de aceleración que los humanos normales pueden realizar sus actividades y vidas a bordo que es lo suficientemente cómoda.

Si la nave espacial tiene que desacelerar, lo hará al mismo ritmo de desaceleración que su fase de aceleración. Esto implicaría desacelerar toda la nave espacial. Sin embargo, si en lugar de desacelerar y detener la nave espacial, una vez que haya acelerado hasta la mitad del camino, las lanchas de aterrizaje dejaran caer esas lanchas de aterrizaje tendrían que desacelerar completamente hasta llegar al sistema objetivo para la colonización.

La razón por la que la nave de aterrizaje tiene que desacelerar desde el punto medio es que tiene que perder la misma cantidad de velocidad que la nave espacial principal ya un ritmo de desaceleración que sea cómodo y conveniente para los colonos humanos que transporta.

Si la lancha de desembarco se dejó caer más cerca del sistema objetivo, las fuerzas de desaceleración aumentarán proporcionalmente. Cuanto más corta sea la distancia y el tiempo para desacelerar, mayores serán las fuerzas g.

A menos que desee que sus colonos lleguen como mermelada de frambuesa, una desaceleración más larga y más lenta será el camino a seguir. Casi invariablemente, esto significará que si su nave espacial aceleró hasta la mitad del camino, tendrá que desacelerar el resto del camino para llegar a salvo y en una sola pieza.

Respuesta corta: Presumiblemente, "todo el barco" y todo su peso es el mismo mecanismo que brinda la capacidad de cambiar drásticamente el impulso (ya sea acelerando o desacelerando), por lo que desacelerar sin todo el barco plantea la pregunta: ¿Cómo?

Además, como ha señalado Michael Kjörling, el principal factor limitante de la tasa de aceleración/desaceleración probablemente será la fuerza que ejerce sobre los viajeros, a menos que la historia invoque algún tipo de " amortiguador de inercia ", que según la física moderna es imposible _

Andreas también destaca que la masa útil total del barco debería ser un poco menor a la mitad del viaje, pero si ya ha maximizado la fuerza a la que está dispuesto a someter a sus viajeros durante la primera mitad del viaje, luego, para lograr la desaceleración sin exceder esa misma fuerza máxima, aún será necesario que la desaceleración comience justo alrededor de ese punto medio. Lo que cambia es el gasto de combustible requerido para lograr esa tasa de desaceleración.

Sin embargo, creo que tienes una buena idea en el centro de tu pregunta. En el momento de la llegada, suponiendo que no tenga intención de reutilizar el vehículo, tiene todo este gran trozo de nave espacial interestelar que no le sirve a nadie. Me parece una excelente innovación encontrar formas de usar partes de esa maquinaria descomunal como masa propulsora. Por ejemplo, digamos que el combustible utilizado durante gran parte de la primera parte de su viaje requirió algún tipo de tanques de contención, la mayoría de los cuales están vacíos cerca del final del viaje. Si estos tanques pudieran triturarse en partículas finas que de alguna manera se inyectan en el propulsor para agregar masa al escape sin arruinar por completo el equilibrio fino en el combustible, tal vez podría aumentar la eficiencia de la desaceleración y reducir la carga útil total de combustible. El motor que podría hacer uso de este combustible sucio sin explotar y el molinillo que tiene una masa relativamente insignificante probablemente aún permanezcan en el ámbito de la ciencia ficción, pero si tal cosa fuera posible, disminuir la carga útil de combustible sería una gran ganancia. . La masa de combustible es un factor crítico en cualquier vuelo espacial de largo alcance, porque agregar combustible también agrega peso, lo que requiere aún más combustible... ya ves a dónde va esto.