Was ist die optimale Form für ein Raumschiff?

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:

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)

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)

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:

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

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.