Posso pular na minha nave espacial e deixar a Terra?

Após o advento dos veículos de lançamento reutilizáveis, o espaço se torna muito mais acessível. Mas o principal sonho dos entusiastas ainda é irrealizável. Você já quis ter sua própria nave espacial estacionada no gramado de sua casa? Para que, de acordo com a ordem do calcanhar do pé esquerdo, seria possível voar em órbita, esticar os músculos em gravidade zero, admirar as vistas do espaço e da Terra, talvez até visitar algum hotel de bordel cósmico - em geral, faça algo que seja suficiente para a imaginação. E, quando estiver cansado, saia da órbita e aterre em algum lugar próximo, sem esquecer de colocar o navio em alarme. Isso é possível? Uma pessoa com pelo menos um pouco de compreensão do tópico imediatamente apresenta a resposta NÃO, mas não vamos tirar conclusões precipitadas e tentar descobrir.

Primeiro, você precisa descobrir a velocidade característica (daqui em diante ΔV) necessária à nave para entrar na órbita da Terra. Simplifique imediatamente nossa tarefa e assuma que vivemos na Flórida e voamos estritamente na direção leste em uma órbita circular de 200x200 km de altura. Então, o ΔV necessário será 9,4 km / s. Esse número inclui o conjunto da velocidade orbital de 7,8 km / se necessário e a superação da aerodinâmica, da gravidade, do controle e, o que será especialmente conveniente para cálculos adicionais, perdas de contrapressão (os motores de foguete ao nível do mar funcionam com menos eficiência do que no vácuo).

Quais motores instalar em nossa nave espacial? Considere os únicos meios de lançamento em órbita que foram dominados no momento - motores de foguetes químicos. Partindo do solo, o motor de hidrogênio e oxigênio RS-68A possui um impulso específico no vácuo (daqui em diante denominado I.I.) em 409 segundos. Mas a pressão na câmara de combustão está longe de ser registrada. Aumentando para 200 atm. e superior, é bem possível obter um u.i. 430 s (RS-25 e RD-0120 têm uma força preditiva de 453-455 s., Mas são mais afiadas com maior probabilidade sob vácuo e terão mais perdas por contrapressão). De acordo com a fórmula de Tsiolkovsky $$$V = 430 * 9,81 * ln (M1 / M2)$ Acontece que um foguete de estágio único com esse mecanismo precisa ter uma razão de massa de 10 para 1 para entrar em órbita, ou seja, por cada 1 kg de peso seco do navio, incluindo carga, 9 kg de combustível hidrogênio-oxigênio devem ser contabilizados. Difícil, mas não impossível, dado o recente progresso em tanques compostos para combustíveis criogênicos. Mas há um pequeno problema. A densidade do par combustível hidrogênio-oxigênio é muito baixa - apenas 0,3155 g / cm ³ . Nesta situação, o tamanho da nave espacial será enorme, você não pode estacioná-lo no quintal da casa. Mas qual será o tamanho ideal?


O projeto de nave espacial de estágio único ventureStar cancelado deveria colocar 20 toneladas em órbita baixa, quase um terço a menos do que o ônibus espacial, com dimensões comparáveis

Para simplificar todos os cálculos adicionais, vamos imaginar que a nave espacial deve ter o tamanho do orbital do ônibus espacial. Sim, o orbital é um pouco grande para o transporte pessoal e pode transportar 7-8, não uma pessoa, mas na companhia de amigos e parentes voando no espaço é muito mais divertido, e os tamanhos são bastante padrão para os jatos executivos. Como não precisamos transportar a carga, apenas a tripulação, encheremos todo o compartimento de carga com um volume de 300 m ³ com combustível de foguete e veremos se ele pode entrar em órbita.


Nesta figura, você pode estimar bem o tamanho do orbital - grande, mas não enorme

A massa do orbitador sem carga, mas com combustível para motores de manobra, é de aproximadamente 90 toneladas. Quando cheio com vapor de hidrogênio e oxigênio, deixa a bordo 94,65 toneladas de combustível. Quando você em 430 s. obtemos pela fórmula $$$ΔV = 430 * 9,81 * ln (184,65 / 90) = $ 303$ m / s Para entrar em órbita, você precisa de mais de 3 vezes mais! Podemos experimentar um combustível mais denso? Um par de querosene-oxigênio a uma densidade de 1,036 g / cm3 e U. 337 p. (como na família RD-170/180/190) dará $$$ΔV = 337 * 9,81 * em$$$$(400,8 / 90) = $ 493$ m / s, um par de UDMH-AT a uma densidade de 1,185 g / cm3 e U. 318 p. (como RD-264) dará $$$ΔV = 318 * 9,81 * ln (445,5 / 90) = $ 498$ m / s A escassez de ΔV ainda é quase o dobro!

Mas existe algum vapor de combustível com uma densidade muito maior e melhor interface do usuário? Sim, e é chamado flúor hidrazina - uma densidade de 1,344 g / cm ³ a u.u. até 402 s! Encha a órbita da nave e obtenha $$$ΔV = 402 * 9,81 * ln (484,2 / 90) = 6634$ m / s! Infelizmente, tudo isso é um déficit para um terço. Então, uma nave espacial orbital compacta é impossível e a resposta original estava correta?


O flúor-amônia RD-301 nunca voou, mas provou em testes que motores de foguete com oxidante de flúor são possíveis

Felizmente, em cálculos anteriores, existe uma suposição - a massa do orbital é de 90 toneladas. Mas o estaleiro está longe da década de 1970, é possível substituir o alumínio por fibra de carbono, reduzir o tamanho das asas, já que não precisamos de uma manobra horizontal de 2.000 km, e o computador de bordo do ônibus espacial agora pode caber no bolso da calça, se não em um relógio de pulso. Depois de aplicar todas as modificações acima, reduzimos a massa do orbitador pela metade, para 45 toneladas. Isso é bastante viável, para aqueles que duvidam que vale a pena lembrar que o foguete de querosene de dois estágios Falcon 9FT, projetado na década de 2010, tem metade da massa seca por unidade de massa de combustível que o foguete de querosene de duas etapas da Zenith projetado na década de 1970. Contamos e recebemos $$$ΔV = 402 * 9,81 * ln (439,2 / 45) = 8982$ m / s, que podemos arredondar com segurança para 9 km / s. Escassez de apenas 400 m / s!

Mas como você sabe, "quase" não é considerado. Como obtemos os 400 m / s necessários? Você pode se lembrar que o ônibus espacial tem motores de manobra com a.i. em 316 s. e ΔV 300 m / s, mas isso ainda não é suficiente, e você precisa manobrar no espaço. Mas esses 300 m / s são dados para o ônibus espacial com 29,5 toneladas no compartimento de carga! Sem eles, haverá apenas 400 m / s - você pode entrar em órbita, mas sem reservas para manobras. Substituímos os motores de manobra por uma versão mini da marcha de flúor-hidrazina pelo mesmo padrão e, voila, temos 500 m / s - e entramos em órbita e 100 m / s para manobras.


Nunca diga nunca, isso é impossível!

Como resultado de todos esses cálculos, quase certamente se pode dizer que, do ponto de vista da física, uma espaçonave compacta em órbita é POSSÍVEL! Outra coisa é que, do ponto de vista do desenvolvimento e operação do motor flúor-hidrazina, será um pesadelo, bem como do ponto de vista ecológico, mas isso vai além do escopo da questão da viabilidade física, que eu queria demonstrar no âmbito deste artigo.