Was ist die optimale Form für ein Raumschiff?

Ich verstehe, dass sich das Design von Raumfahrzeugen heutzutage sehr stark darauf konzentriert, was mit aktuellen Raketen in den Weltraum gehoben werden kann, daher die modulare, zylindrische Form der ISS . Mit den derzeitigen Herstellungs- und Konstruktionstechnologien und unter der großen (unrealistischen) Annahme, dass es keine Beschränkungen beim Heben von Materialien/Komponenten in den Weltraum gäbe, was wäre die optimalste Form für ein Raumfahrzeug in Bezug auf einige der folgenden Beispielfaktoren (andere sind willkommen)?

  • Effizienz
  • Baupraxis
  • Interne Navigation durch die Besatzung
  • Usw.

Soll es eine Kugel sein? Würfel? (Ich kann die Borg riechen...)

Ich sollte klarstellen, dass ich nicht an einem Raumschiff interessiert bin, das sich einer Atmosphäre nähern muss, sodass die Aerodynamik nicht berücksichtigt werden muss.

"Annahme, dass es keine Beschränkungen für das Heben von Materialien/Komponenten in den Weltraum gab" - das bedeutet, dass wir es auf dem Boden in jeder Größe/Form bauen und dann in die Umlaufbahn bringen könnten. Also "Baupraxis" ist für mich etwas schwierig zu kommentieren. Ich denke, eine Kugel wäre übrigens am gewichtseffizientesten für den Innendruck (Atmosphäre).
Aufblasbare oder anderweitig erweiterbare Raumfahrzeuge sind eine sehr praktische Möglichkeit, Dinge im Weltraum größer zu machen als beim Start. Sie sollten ziemlich "fest" sein, was bedeutet, dass sie keine Löcher haben, es sei denn, dies ist gewünscht. Kugelig oder zylindrisch für Lebensräume und flach für Sonnenkollektoren, Funkschüsseln, Sonnensegel.
Ja genau! Der konstruktionstechnische Aspekt dieser Frage bezog sich eher darauf, welche Form innerhalb des gleichen Volumens „einfacher“ zusammenzubauen wäre. Ich werde dies aus der Frage entfernen, wenn es jedoch nicht erforderlich ist.
eindeutig suboptimal: i.stack.imgur.com/7xvoT.gif

Antworten (6)

Kugeln sind am besten, aber Zylinder sind am einfachsten herzustellen

Für das größte Innenvolumen im Vergleich zur Oberfläche und damit die kleinstmögliche Masse ist eine Kugel die ideale Form für ein Raumfahrzeug. Das Orbitalmodul des Sojus - Raumfahrzeugs ist ungefähr eine Kugel:

Sojus

Die meisten verwendeten Konstruktionstechniken basieren auf Metallplatten . Daher sind Raumfahrzeuge, die wie Würfel oder Zylinder (eine gebogene Platte) geformt sind, einfach herzustellen. Die scharfen Kanten sind jedoch weniger optimal als die Kugel, um dem Innendruck standzuhalten.

Für längere Aufenthalte im Weltraum ist es vorteilhaft, eine Art künstliche Schwerkraft zu haben, die durch Rotation hervorgerufen wird. Zylinder und Torusse sind dann gute Optionen. Sie sind auch ziemlich einfach aufzublasen. (Das ist eine Startbeschränkung, aber eine wichtige)

http://www.darkgovernment.com/news/wp-content/uploads/2013/01/Space_station.jpg

Ein Raumfahrzeug mit künstlicher Schwerkraft muss nicht unbedingt eine gekrümmte Form haben, zwei Raumfahrzeuge oder ein Raumfahrzeug und ein Gegengewicht mit einem Halteseil dazwischen können im Grunde dasselbe tun.

Für manche Antriebsarten, vor allem nuklear-elektrisch, Sonnensegel oder solar-elektrisch, sind riesige Flächen von Radiatoren, Segeln oder Solarzellen notwendig. Das bestimmt ziemlich genau ihre Form. (riesig aber flach, mit langem Traversensegment in der Mitte)

elektrische Raumfahrzeuge

Verschiedene Teile eines Raumfahrzeugs haben unterschiedliche Anforderungen, daher können Sie anstelle eines All-in-One-Kompromisses unterschiedliche Formen für sie verwenden. Auch hier ist die Sojus ein hervorragendes Beispiel für Geometrie, die eine Kugel für das Orbitalmodul, eine aerodynamisch stumpfe Körperform für die Rückkehrkapsel und einen Zylinder für das Ausrüstungsmodul verwendet.

Lander

Eine der obersten Prioritäten für einen Lander ist eine große Basis, um zu verhindern, dass er bei der Landung auf der Oberfläche umkippt. Trotz anfänglicher Untersuchungen durch unbemannte Sonden im Orbit beispielsweise des Mondes kann man sich nie ganz sicher sein, ob ein bestimmter Landeplatz sinnvoll ist. Die Apollo 11 hat zum Beispiel den Ziellandeplatz im Flug geändert. Daher sind Lander typischerweise sehr breit, sodass sie nicht umfallen. Die Abstiegsstufe hat oft die Form eines polygonalen Prismas mit einer Symmetrie, die von der Anzahl der Landebeine abhängt. (drei für eine Mindestkonfiguration, vier für etwas mehr Stabilität oder fünf oder mehr für Redundanz und zusätzliche Stabilität).

Die Abstiegsstufe der Apollo-Mondlandefähre hatte eine achteckige Form, die ihrer vierzähligen Symmetrie entsprach:

Apollo-Abstiegsstufe

Warum orthogonal, warum hatte es vier Beine zum Landen? Drei würden ein Flugzeug garantieren, während ein "viertes Rad am Wagen", sozusagen, wenn Sie das Wortspiel verstehen, überflüssigerweise über dem Boden über einer kleinen Vertiefung hängen könnte.
@LocalFluff, ja, es fügt auch nicht viel Redundanz hinzu, um die Stabilität aufrechtzuerhalten, selbst wenn eines der Beine bricht, benötigen Sie mindestens fünf
@LocalFluff, drei Beine garantieren ein Flugzeug, haben aber den niedrigsten Kippwinkel aller Beinzahlen . Um auf vier Beine aufzurüsten, ist ein Aufhängungssystem erforderlich, um sicherzustellen, dass alle vier den Boden berühren, der Kippwinkel wird jedoch um 50 % erhöht.
Re: Blechkonstruktion. Der 3D-Druck von Raketen könnte ein Hit sein youtu.be/kz165f1g8-E

Ein ausreichend großer Donut oder Zylinder würde eine künstliche Schwerkraft durch Rotation ermöglichen. Der Durchmesser müsste mindestens mehrere hundert Meter betragen.

Für die Erdanziehungskraft sind 100 m Durchmesser genau an der Grenze. a=r*omega^2 . Ersetzen und neu anordnen: omega=sqrt(Erdgravitation 9,8m/s^2 / Radius 50m) = 0,44 Radiant pro Sekunde. jede Umdrehung dauert 2*PI/0,44 = 14 Sekunden. Ich denke, man gewöhnt sich daran. Es stimmt, wenn man bei gleicher Beschleunigung die Rotationsdauer verdoppeln will, muss man den Abstand vervierfachen. Für ein Schiff einer bestimmten Größe würden sich Menschen wahrscheinlich mit etwas weniger als der Erdanziehungskraft am wohlsten fühlen, um die Notwendigkeit hoher Rotationsgeschwindigkeiten zu vermeiden.

aktuelle Fertigungs- und Konstruktionstechnologien

keine Beschränkungen für das Heben von Materialien/Komponenten in den Weltraum

Ich sollte klarstellen, dass ich nicht an einem Raumschiff interessiert bin, das in die Nähe einer Atmosphäre fliegen muss, sodass die Aerodynamik nicht berücksichtigt werden muss.

Unter der Annahme dieser Parameter erfordert das Anheben von etwas in eine erdnahe Umlaufbahn, dass dieses Etwas während des Starts strukturell ungefähr 2-3 g standhält. Es ist also nicht logisch, ein robustes Raumschiff am Boden zu bauen, das den Start überleben kann und dann für den Rest seiner Lebensdauer totes strukturelles Gewicht trägt.

Starten Sie stattdessen zuerst Rohstoffe und ein riesiges Gebäude oder eine Druckfabrik in LEO, produzieren Sie dann das Raumschiff dort und bauen Sie es so leicht (oder mit dem besten Kraftstoff-/Strukturmasseverhältnis), wie es sein kann, entlang der Einschränkungen oder Beschleunigungen, denen es ausgesetzt sein wird.

Da es keine Startgewichtsbeschränkungen von der Erde gibt, könnte eine der besten Missionen darin bestehen, Menschen mit dem Projekt Orion -Antriebssystem in einem sehr, sehr großen Raumschiff, das auf eine konstante Beschleunigung von 1 g entlang des Schubvektors eingestellt ist, zu einem benachbarten Sternensystem zu schicken. Daher wird dieses Raumschiff in LEO so gebaut, dass es nicht mehr als 1 g (+Sicherheitsmarge) aushält.

Die beste Form für ein maximales Volumen-/Oberflächenverhältnis ist die Kugel (wie in der vorherigen Antwort erwähnt), sodass die Form dieses massiven Dings ein ausgedehntes Sphäroid sein könnte, das entlang einer 1-g-Beschleunigung ausgerichtet ist - oder ein eiförmiges Nuke-Spitter-Raumschiff für menschliche Kolonien -

Es gibt nicht nur einen – oder das Optimum ist extrem kontextabhängig.

Unbemannte Raumfahrzeuge ohne Atmosphäre haben einen ziemlich unbeschränkten Gestaltungsraum. Bemannte Raumfahrzeuge sind aufgrund der Notwendigkeit eines Druckbehälters etwas eingeschränkter, aber nur mäßig, da der Druckbehälter nur einen Teil des Raumfahrzeugs ausmacht.

Da die meisten Raketen Verkleidungen mit einem angemessenen Innenvolumen haben, wird die Form des Raumfahrzeugs von ihnen bereits nicht sonderlich eingeschränkt (obwohl sie sehr oft Sonnenkollektoren und dergleichen zusammenklappen, um hineinzupassen).

Grundsätzlich scheint es, dass die optimale Form für viele Raumfahrzeuge darin besteht, dass die Komponenten des Raumfahrzeugs in irgendeiner Anordnung basierend auf den individuellen Bedürfnissen jeder Komponente angeordnet, mit Streben zusammengehalten oder in Kästen enthalten sind.

Es kann vom Antriebssystem abhängen.

Spin-Schwerkraft-Schiffe wurden bereits besprochen, daher möchte ich mich auf ein Schiffsdesign konzentrieren, das ich so gut wie nie in Scifi gesehen habe. Das eines Kegels, stumpfes Ende zuerst.

Dieses Design funktioniert am besten für bemannte interplanetare Missionen, bei denen der Motor so ausgelegt ist, dass er die meiste Zeit brennt, um etwas Schwerkraft zu erzeugen, vielleicht mit einer kurzen Küstenphase in der Mitte. Die meisten Scifi-Shows erschaffen lange, dünne Schiffe mit dem Motor auf der Rückseite, aber wenn sie beschleunigt werden, ist dies so, als würde man in einem hohen, dünnen Wolkenkratzer mit dem Motor am Boden leben. Die Crew wird ständig auf und ab gehen.

Ein viel besseres, fauleres Design besteht darin, das Schiff so weit wie möglich auszubreiten, sodass alles auf einer ähnlichen Bodenebene platziert wird. Die Besatzung muss nicht ständig Treppen und Leitern steigen und muss keine Aufzüge ausrüsten und warten.

Den Motor direkt hinter einer breiten Scheibenform zu haben, ist instabil, daher ist es wünschenswert, den Motor so weit wie möglich nach hinten zu stellen. Ich stelle mir eine umgedrehte Kegelform mit dem unter Druck stehenden Abschnitt am breitesten oberen Teil und dem Kraftstoff und den Vorräten darunter vor, die sich bis zur Spitze des Kegels verjüngen, wo sich der Motor befindet. Dadurch kann ein kardanisch aufgehängter Motor die Schiffslage effektiver verändern und stabilisieren.

Ich denke, dass Raumschiffe in ferner Zukunft analog zur Biologie sein werden. Sie werden sich ständig neu zusammensetzen und neu organisieren, um Schäden durch Strahlung und Zerfall zu reparieren und sich an sich ändernde Umgebungen oder Wünsche anzupassen. Oder einfach, weil eine erhaltene Struktur offenbart, dass es attraktiver ist, eine andere Struktur auf evolutionäre Art und Weise der Entdeckung zu erlangen.

Das Leben auf dem „Raumschiff Erde“ hat dies spontan getan. Grundlegende Logiken der Physik, Geometrie und Ökonomie setzen einige Einschränkungen, aber Lebensformen variieren immer noch von winzigen archaischen Bakterien über riesige Reptilien und Säugetiere bis hin zu verteilten Ameisen- und Bienenkolonien als genetische Einheit. Die Weisheit dieser Milliarden Jahre langen Evolution scheint kaum zu überbieten. Mangelnde Schwerkraft und fehlende Wechselwirkung mit der Atmosphäre/Hydrosphäre beseitigen wichtige Formbeschränkungen.

Haltegurte können sehr nützlich sein. Die Mikrobiologie scheint voller mikroskopisch kleiner „Haare“ zu sein, die Transporte und Kommunikation leiten. In der Mikrogravitation sind Halteseile nützlich, um die Schwerkraft durch Rotation zu simulieren und möglicherweise kleinere Raumfahrzeuge zu starten oder einzufangen.

Entschuldigung, wenn ich Ihre Antwort falsch interpretiert habe, aber mir ist nicht klar, wie dies meine Frage beantwortet? Aktuelle Technologien wurden spezifiziert.
Entschuldige dich nicht, ich sehe jetzt, dass du aktueller warst als meine wilden Spekulationen. Ich dachte, es wäre eine offene Frage, die keine offensichtliche Antwort wie "42" hat :-)
LocalFluff denkt in eine gute Richtung. Derzeit werden in Laboren mindestens 2 Schlüsseltechnologien getestet, die dafür geeignet sind. Schwarmlogik und Hardwareimplementierungen funktionierender kleiner Roboter. Das ist ein vielversprechender Ansatz, und viele versuchen herauszufinden, wie man ihn besser in Hardware und Software implementieren kann. Cube ist Lieblingsform atm. Also Borg-Stil, warum nicht. Zweite Schlüsseltechnologie - künstliche Aktuatoren, basierend auf Kohlenstoffnanoröhren. Wir versuchen also bereits, Dinge zu erfinden, die sich an Aufgaben anpassen und universeller sein sollten, oder zumindest unseren Tools helfen, anpassungsfähiger zu sein. Derzeit funktionierende Beispiele sind Mammoet SPMT.