¿Puedo saltar a mi nave espacial y salir de la Tierra?

Después de la llegada de los vehículos de lanzamiento reutilizables, el espacio se vuelve mucho más accesible. Pero el sueño principal de los entusiastas sigue siendo irrealizable. ¿Alguna vez has querido tener tu propia nave espacial estacionada en el césped de tu casa? De modo que, de acuerdo con el orden del talón del pie izquierdo, sería posible volar en órbita, estirar los músculos en gravedad cero, admirar las vistas del espacio y la Tierra, tal vez incluso visitar algún hotel de burdel cósmico, en general, hacer algo que sea suficiente para la imaginación. Y cuando esté cansado, salga de la órbita y aterrice en algún lugar cercano, sin olvidar poner el barco en alarma. ¿Es esto posible? Una persona con al menos un poco de comprensión del tema inmediatamente presenta la respuesta NO, pero no saquemos conclusiones apresuradas e intentemos resolverlo.

Primero debes averiguar la velocidad característica (en adelante ΔV) que necesita la nave espacial para entrar en la órbita de la Tierra. Simplifique de inmediato nuestra tarea y suponga que vivimos en Florida y volamos estrictamente en dirección este hacia una órbita circular de 200x200 km de altura. Entonces el ΔV requerido será de 9,4 km / s. Esta cifra incluye tanto el conjunto de la velocidad orbital necesaria de 7.8 km / sy la superación de la aerodinámica, la gravedad, el control y, lo que será especialmente conveniente para cálculos posteriores, las pérdidas de contrapresión (los motores de cohete a nivel del mar funcionan de manera menos eficiente que en el vacío).

¿Qué motores instalar en nuestra nave espacial? Considere el único medio de lanzamiento en órbita que se ha dominado en este momento: los motores de cohetes químicos. Comenzando desde el suelo, el motor de hidrógeno y oxígeno RS-68A tiene un impulso específico en el vacío (en lo sucesivo, simplemente denominado I.I.) en 409 segundos. Pero la presión en la cámara de combustión está lejos de ser récord. Elevándolo a 200 atm. y más alto, es bastante posible obtener un u.i. 430 s (RS-25 y RD-0120 tienen una fuerza predictiva de 453-455 s., Pero se agudizan más probablemente bajo vacío y tendrán más pérdidas por contrapresión). De acuerdo con la fórmula Tsiolkovsky $$$V = 430 * 9.81 * ln (M1 / M2)$Resulta que un cohete de una etapa con dicho motor necesita tener una relación de masa de 10 a 1 para entrar en órbita, es decir. por cada 1 kg de peso seco del barco, incluida la carga, se deben tener en cuenta 9 kg de combustible de hidrógeno y oxígeno. Difícil, pero no imposible, dado el progreso reciente en tanques compuestos para combustibles criogénicos. Pero hay un pequeño problema. La densidad del par de combustible de hidrógeno-oxígeno es muy baja, solo 0.3155 g / cm ³ . En esta situación, el tamaño de la nave espacial será enorme, no se puede estacionar en el patio trasero de la casa. ¿Pero qué tamaño será óptimo?


Se suponía que el proyecto de nave espacial de una etapa ventureStar cancelado pondría 20 toneladas en órbita baja, casi un tercio menos que el Shuttle, con dimensiones comparables

Para simplificar todos los cálculos adicionales, imaginemos que la nave espacial debería tener el tamaño del orbitador del transbordador espacial. Sí, el orbitador es un poco grande para el transporte personal y puede transportar 7-8, no una persona, pero en compañía de amigos y familiares que vuelan en el espacio es mucho más divertido, y los tamaños son bastante estándar para los aviones de negocios. Como no necesitamos transportar la carga, solo la tripulación, llenaremos todo su compartimento de carga con un volumen de 300 m ³ con combustible para cohetes y veremos si puede entrar en órbita.


En esta imagen puedes estimar bien el tamaño del orbitador: grande, pero no enorme

La masa del orbitador sin carga, pero con combustible para motores de derivación, es de aproximadamente 90 toneladas. Cuando se llena con vapor de hidrógeno y oxígeno deja 94,65 toneladas de combustible a bordo. Cuando u.i. en 430 s. obtenemos por la fórmula $$$ΔV = 430 * 9.81 * ln (184.65 / 90) = $ 303$m / s Para entrar en órbita, ¡necesitas más de 3 veces más! ¿Podemos probar un combustible más denso? Un par de queroseno-oxígeno a una densidad de 1.036 g / cm ³ y U. 337 p. (como en la familia RD-170/180/190) dará $$$ΔV = 337 * 9.81 * ln$$$$(400.8 / 90) = $ 493$m / s, un par de UDMH-AT a una densidad de 1.185 g / cm ³ y U. 318 p. (como RD-264) dará $$$ΔV = 318 * 9.81 * ln (445.5 / 90) = $ 498$m / s ¡La escasez de ΔV sigue siendo casi el doble!

Pero, ¿hay algún vapor de combustible con una densidad mucho más alta y una mejor interfaz de usuario? Sí, y se llama flúor hidrazina, una densidad de 1.344 g / cm ³ en c.u. tanto como 402 s! Llena su órbita de transporte y consigue $$$ΔV = 402 * 9.81 * ln (484.2 / 90) = 6634$m / s! Por desgracia, de todos modos un déficit para un tercio. Entonces, ¿es imposible una nave espacial orbital compacta y la respuesta original fue correcta?


El flúor-amoníaco RD-301 nunca voló, pero se demostró en pruebas que los motores de cohete con oxidante de flúor son posibles

Afortunadamente, en cálculos anteriores hay una suposición: la masa del orbitador es de 90 toneladas. Pero el patio está lejos de la década de 1970, es posible reemplazar el aluminio con fibra de carbono, reducir el tamaño de las alas, ya que no necesitamos una maniobra horizontal de 2.000 km, y la computadora a bordo del transbordador espacial ahora puede caber en el bolsillo de sus pantalones, si no en un reloj de pulsera. Después de aplicar todas las modificaciones anteriores, reducimos la masa del orbitador a la mitad, a 45 toneladas. Esto es bastante factible, para aquellos que dudan, vale la pena recordar que el cohete de queroseno de dos etapas Falcon 9FT, diseñado en la década de 2010, tiene la mitad de la masa seca por unidad de masa de combustible que el cohete de queroseno de dos etapas Zenith diseñado en la década de 1970. Contamos y obtenemos $$$ΔV = 402 * 9.81 * ln (439.2 / 45) = 8982$m / s, que podemos redondear de forma segura a 9 km / s. ¡Falta de solo 400 m / s!

Pero como saben, "casi" no se considera. ¿Cómo obtenemos los 400 m / s requeridos? Puede recordar que el transbordador tiene motores de maniobra con a.i. en 316 s. y ΔV 300 m / s, pero esto aún no es suficiente, y debe maniobrar en el espacio. ¡Pero estos 300 m / s se dan para el transbordador con 29.5 toneladas en el compartimento de carga! Sin ellos, solo habrá 400 m / s: puede entrar en órbita, pero sin reserva para maniobras. Reemplazamos los motores de maniobra con una versión mini de marchas de flúor-hidrazina con el mismo estándar y, voila, obtenemos 500 m / s, y entramos en órbita y 100 m / s para maniobrar.


¡Nunca digas nunca, esto es imposible!

Como resultado de todos estos largos cálculos, es casi seguro decir que, desde el punto de vista de la física, ¡una nave espacial en órbita compacta es POSIBLE! Otra cosa es que desde el punto de vista del desarrollo y funcionamiento del motor de flúor-hidrazina será una pesadilla, así como desde el punto de vista de la ecología, pero esto va más allá del alcance de la cuestión de la viabilidad física, que quería demostrar en el marco de este artículo.