Wie werden reale Raumfahrzeuge in Zukunft aussehen?

Das meiste Science-Fiction ist heute meiner Meinung nach einfallslos und unrealistisch, wenn es um das Design zukünftiger orbitaler und interplanetarer Schiffe geht.

Wie werden Raumschiffe und Lebensräume aussehen, wenn wir sie in Zero-G bauen, indem wir Vakuumabscheidungstechniken und Materialien verwenden, die von Asteroiden abgebaut werden? Vorbei sind die vertrauten Zylinder, Flügel und Aerodynamik, die alle das Erbe einer Atmosphäre sind. Vorbei sind auch dürre Konstruktionen, da die Baumaterialmasse reichlich vorhanden sein wird (wenn sie von Asteroiden abgebaut wird).

Ich glaube nicht, dass Fahrzeuge lange mit Motoren am Ende sein werden. Dies bedeutet, dass die Besatzung unter Schub ständig Leitern erklimmen und Aufzüge benutzen würde.

Dies hinterlässt gedrungene, fette Klumpen. Wer hat sich in diesem Bereich am meisten erkundet, wo finde ich die beste Sammlung gut durchdachter plausibler Designs?

Kommentare sind nicht für längere Diskussionen gedacht; diese Konversation wurde in den Chat verschoben .
@Pelinore Wenn Sie Beispiele für Sci-Fi-Design haben, die keine von atmosphärischen Fahrzeugen abgeleiteten Designs und atmosphärische Startbeschränkungen beinhalten, können Sie sie gerne hier auflisten.
@pelinore ja, es ist abgeleitet (fast vollständig konstruiert aus) zylindrischen Modulen mit einem Durchmesser von 4,6 m, die nach der Nutzlastbucht des Shuttles bemessen sind. Dies ist eine Designbeschränkung, die von einem atmosphärischen Fahrzeug bereitgestellt wird. Es hat auch eine Reihe von externen Shuttle-Kraftstofftanks.
Ah, aus Ihrem Kommentar zur Antwort von @PipperChip "Ich habe Formen abgelehnt, die aufgrund der Einschränkung ausgewählt wurden, alles von der Oberfläche nach oben durch eine Atmosphäre starten zu müssen" // also fair genug, aber Sie müssen Ihre Frage bearbeiten, um sie anzuzeigen Worüber Sie sprechen, ist klar (die einzelnen Module und Komponenten und nicht die Struktur und das Design, mit denen sie verknüpft sind), derzeit nicht, und diese Erklärung sollte im ersten Absatz stehen, um die Gedanken der Menschen in den richtigen Rahmen zu bringen b4 liest den Rest.
@pelinore Ich weiß nicht ... welcher Teil von "Wenn wir sie mit Vakuumabscheidungstechniken in Null-G bauen" ist unklar?
Der Teil, in dem Sie nicht sagen, dass Sie sich nur auf die Module beziehen und nicht auf das gesamte Schiff.
@Pelinore Ich beziehe mich auf das ganze Schiff. Schau, du verstehst es einfach nicht. Danke für deinen Input, ich denke wir sind fertig.
Wenn Sie sich auf das gesamte Schiff beziehen, dann liegen Sie falsch, wenn Sie sich nur auf die kleineren Module beziehen, aus denen es zusammengesetzt ist, dann liegen Sie richtig

Antworten (2)

Dies ist eine Art Frame-Shift-Antwort. Ich antworte als Weltraumenthusiast, aber auch als Mitarbeiter eines Luft- und Raumfahrtunternehmens.

Lassen Sie uns die einfachen Formen wie Zylinder nicht vorschnell als Überbleibsel der Aerodynamik abtun! Es gibt einige wichtige Überlegungen, selbst bei reichlich vorhandenem Material und praktisch ohne Schwerkraft, die dazu führen können, dass einfache Formen (Zylinder, Kugeln, rechteckige Prismen) die Entwicklung von Raumfahrzeugen dominieren.

Massenmittelpunkt und Schubmittelpunkt

Es gibt immer noch Tugenden in der Ausrichtung von Schub- und Massenmittelpunkt, wie z. B. nicht außer Kontrolle zu geraten! Für diejenigen, die mit diesen Begriffen nicht vertraut sind, ist der Massenmittelpunkt der „Mittelpunkt“ Ihrer gesamten Masse, und der Schubmittelpunkt ist, wohin Ihr „Schub“ von Ihren Motoren zeigt. Wenn Sie diese nicht ausrichten, dreht sich Ihr Raumschiff, also muss etwas getan werden, um dem entgegenzuwirken. Ein Design, das es vermeidet, mehr Kraftstoff zu verbrauchen, um einem Moment/Drehmoment entgegenzuwirken, das von seltsam platzierten Motoren auf seltsam platzierten Formen erzeugt wird, wird anderen vorgezogen.

Es stellt sich heraus, dass Sie, wenn Sie eine bekannte Form bauen (z. B. eine Kugel, einen Zylinder, einen Ziegelstein), eine gute Vorstellung davon haben, wo sich der Schwerpunkt und das Schubzentrum befinden könnten. Dies berücksichtigt sogar ungerade Belastungen! Wenn Sie eine unregelmäßige Form bauen, müssen Sie viel mehr rechnen, um die Massenverteilung und den Schub zu berücksichtigen. Je nach Belastung können selbst Raketen mit Gimbals (solche, deren Düsen zeigen können) diese exzentrischen Formen nicht schneiden.

Dieses Problem wird noch verstärkt, wenn die verwendeten Motoren nicht gedrosselt werden können oder mehr als ein Motor für die Vorwärtsbewegung zünden muss. Ungerade Formen könnten sich leicht auf mehrere Motoren für eine einfache Vorwärtsbewegung verlassen, um das Laden oder die Struktur zu berücksichtigen. Dies führt zu mehr Fehlerpunkten, was ein weniger robustes Design ist, was bedeutet, dass es vom praktischen Design weniger bevorzugt wird. Außerdem, wenn die Leistung der Motoren immer auf Hochtouren oder nichts (kein Gas) sein muss, viel Glück beim Auffinden von „Ersatz“-Motoren an der richtigen Stelle. Einfache Formen bedeuten normalerweise, dass Sie weniger Motoren für die Vorwärtsbewegung benötigen und sich auf eine bescheidene kardanische Aufhängung verlassen müssen, um einen Motorausfall oder eine unregelmäßige Belastung auszugleichen.

Sie müssen es noch bauen

Hey, vielleicht gibt es da draußen Material im Wert von Galaxien, aber Sie müssen immer noch Zeit und Mühe investieren, um das Schiff zu bauen. Das kostet immer noch etwas; Zeit, möglicherweise Geld und sicherlich Ressourcen.

Es stellt sich heraus, dass einfache Formen es Ihnen ermöglichen, die Materialmenge zu minimieren und dennoch das gewünschte Volumen zu erhalten. Okay, vielleicht sind Schiffe nicht immer ein Ziegelstein oder ein Sphäroid, aber diese Formen haben im Vergleich zu anderen ein schönes Verhältnis von Volumen zu Oberfläche!

Überlegungen zur mechanischen Stabilität

Es ist cool, dass dein Raumschiff wie eine Anemone aussieht, sich aber auch so biegt. Das macht keinen Spaß, wenn sich Ihre Kantine auf einem Tentakel befindet, Schlafräume auf einem anderen und Ihr Pilot auf einem anderen. Der arme Bill musste warten, bis das Beschleunigungsmanöver beendet war (was ein ganzes Jahr war!), bevor sich die Halle zu seinem Quartier wieder in Form bog. Das ist besser als Steve – sein Tentakel ist gerade während der letzten Notfallkorrektur abgebrochen.

Wenn das Schiff eine einfache Form hätte, um die Lasten des Schubsens und Manövrierens zu tragen, würden solche Probleme vielleicht nie passieren. So etwas wie ein Sphäroid oder ein rechteckiges Prisma ... Diese Formen sind in der Lage, sich selbst mit weniger Material zu tragen und klare Lastpfade zu schaffen, verglichen mit etwas Spindlerem.

Eine robustere Form kann aggressivere Manöver für weniger Material (oder "Primärstruktur") ermöglichen. Weniger Primärstruktur bedeutet mehr Platz für Nutzlast oder noch höhere Beschleunigungsmanöver. Insgesamt sind diese Dinge für die meisten Raumfahrzeuge wünschenswert.

Thermische Überlegungen

Sie müssen auf Ihre thermischen Steuerflächen achten. Wenn sich neben Ihrer Wärmebildkamera ein Heizkörper (um überschüssige Wärme abzuführen, eine der einzigen Möglichkeiten im Weltraum) befindet, sehen Sie nur Ihren Heizkörper. Wie vermeiden Sie das?

Sie wählen eine Form, deren Flächen voneinander weg zeigen. Sphäroide, Zylinder und Würfel haben dieses Problem nicht. Die andere Lösung besteht darin, „geschickt platzierte“ Sensoren zu haben, was einige Möglichkeiten für ungewöhnliche Formen eröffnet. (Siehe ISS – nicht alle dieser Panels sind Solarpanels!)

Ich glaube nicht, dass ich einfache Formen verworfen habe. Ich habe Formen verworfen, die aufgrund der Einschränkung ausgewählt wurden, alles von der Oberfläche nach oben durch eine Atmosphäre schießen zu müssen. Ich verwerfe auch Formen, die Raumschiffe wie Flugzeuge aussehen lassen, einfach aus Gründen der Vertrautheit. Persönlich denke ich, dass wir große, hässliche, klumpige, kugelförmige Dinger sehen werden, an denen überall Scheiße klebt, aber ich sehe niemanden, der auch nur annähernd etwas veröffentlicht, was ich mir vorstelle.
@Innovine tatsächlich kugelförmige Formen wurden, wenn nicht populär, dann oft genug in Scify-Büchern in alten Tagen verwendet, erinnern Sie sich jedoch nicht an die, die in Filmen dieser Zeit und später verwendet wurden, außer Todesstern aus Starwars. Idk, wenn ich mich dazu überwinde, werde ich vielleicht ein paar Worte über Vor- und Nachteile von Grundformen schreiben. Idk, q, kann verbessert werden, wenn Sie eine Liste von Formen und eine Liste von Gründen für sie erstellen, warum Sie sie nicht mögen. In letzter Zeit begann ich zu denken, dass das Einrumpfkonzept von Raumschiffen in einigen Fällen nicht realistisch ist, da dies ein größeres Problem darstellt, weniger ihre Form.
Ich werde bestreiten, dass komplexe Formen es schwierig machen, Massenschwerpunkte zu finden. CAD-Software ist bereits recht gut darin; Es ist wirklich nicht so schwer, es mit Computern zu machen (es von Hand zu machen , wäre jetzt eine andere Sache). Und Ihre Last wird ungleichmäßig sein und benötigt Mechanismen zum Ausgleich, egal was passiert. Sie werden die Zentren nicht perfekt berechnen, auch wenn sich darin nichts (z. B. Menschen) bewegt . Wir bauen jedoch seit Jahren, wenn nicht Jahrzehnten Raketen, die in Echtzeit kompensieren können. (Ich möchte sagen, Apollo hat es getan!)
@Matthew Ja, CAD kann ziemlich schick werden und numerische Annäherungen sind ziemlich gut, aber dann brauchen Sie die Hardware, um sich darauf einzustellen. Die Anpassung an ungleiche Belastungen ist keine rein mathematische Operation! Es kann mehr Reichweite auf einem Gimbal oder mehr Motoren erfordern, was derzeit mehr physische Fehlerpunkte bedeutet, was ein weniger robustes Design ist. Natürlich kann hier Innovation passieren, aber Sie könnten in der Zwischenzeit einfach den einfachen Weg gehen, wenn Sie einfache Formen verwenden.
@Innovine "Vorbei sind die vertrauten Zylinder, Flügel und die Aerodynamik, die alle das Erbe einer Atmosphäre sind." Darauf beziehe ich mich. Ich entschuldige mich, wenn ich Ihre Bedeutung falsch verstanden habe. Der Punkt hier ist, dass grundlegende Formen gute Vorzüge haben, die über aerodynamische Überlegungen hinausgehen.
Ah, um das klarzustellen, ich ging davon aus, dass Sie die Motoren (insbesondere deren Platzierung) immer noch so entwerfen würden, dass diese Probleme minimiert werden. Ich sage nur, dass es nicht unmöglich ist, ungewöhnliche Formen zu haben. In diesem Zusammenhang können Sie so verrückt werden, wie Sie möchten, wenn Sie das Design symmetrisch / ausgewogen halten. Kugeln oder Balls-on-Sticks sind jedoch wahrscheinlich immer noch die vernünftigsten Designs.
Die ISS hat eine lange, biegsame, filigrane und komplexe Form, wird jedoch häufig in eine höhere Umlaufbahn befördert. Dies legt mir nahe, dass die in dieser Antwort genannten Einschränkungen in der Praxis nicht allzu einschränkend sind. Es hat eine schöne Symmetrie und Balance, aber es ist wackelig genug, dass das Fahren mit einem Heimtrainer Schwingungen in den Solarmodulen hervorrufen kann. Aber es hat immer noch Motoren drauf und nicht überall Verstärkungsstreben.
@matthew der LM zu Beginn des angetriebenen Abstiegs verbrannte den Motor einige zehn Sekunden lang mit niedrigem Schub, während er die Rotationsraten maß und den genauen Schwerpunkt berechnete und kompensierte.
@Innovine Ja, die ISS kann Boosts durchführen und tut dies auch, aber dies negiert nicht die Tatsache, dass sie eine Obergrenze dafür haben, wie viel sie Boosten können. Ich werde den Punkt über einfache Formen und Beschleunigung näher ausführen, da er offensichtlich nicht klar genug ist.

Ein Grund (eigentlich ein paar verwandte Gründe), warum Schiffe, die für den Betrieb jenseits des Mars ausgelegt sind, lang und spindeldürr sein werden, ist, dass sie wahrscheinlich nuklearbetriebene Motoren haben werden. In diesem Fall möchten Sie, dass der Red Hot Glowing Nuclear Death so weit wie möglich vom Mannschaftsraum entfernt ist. Dies liegt daran, dass Sie nicht den gesamten Reaktor abschirmen möchten (Abschirmung ist schwer und jedes Gramm zählt), also verwenden Sie einen Schattenschild, der gerade groß genug ist, um sicherzustellen, dass der Mannschaftsraum im Schatten liegt. Je weiter der Reaktor und der Schild entfernt sind, desto kleiner kann der Schild sein, aber Sie möchten auch, dass die Struktur so leicht wie möglich ist, oder sie wiegt am Ende mehr als der Schild.

Daher haben Sie am Ende den Motor (oder zumindest seine Stromversorgung) am Ende des längsten, leichtesten Auslegers, der stark genug ist, um die Arbeit zu erledigen, und ein langes, spindeldürres Schiff ...

Lebensräume sind natürlich nicht so eingeschränkt in ihrem Massenbudget und haben möglicherweise mehr Formfreiheit, obwohl, wie von PipperChip in ihrer ausgezeichneten und umfassenden Antwort hervorgehoben, Kugeln, Zylinder und dergleichen gut verstandene technische Formen mit guten Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnissen sind und andere wünschenswerte Eigenschaften, so dass sie aus diesen Gründen wahrscheinlich bevorzugt werden. Wenn der Lebensraum groß genug ist, kann außerdem ein Zylinder am einfachsten gedreht werden, um künstliche Schwerkraft zu erzeugen.

Was "... die Besatzung würde ständig Leitern erklimmen ..." Raumschiffe der nahen Zukunft werden wahrscheinlich sehr effiziente Motoren verwenden, die wenig Treibstoff verbrauchen, aber auch einen sehr geringen Schub haben. Die Beschleunigungen liegen wahrscheinlich weit unter einem Zehntel G, so dass die Besatzung in der Lage sein sollte, sich ziemlich leicht mitzuziehen.

Über die Beschleunigung, zusätzlich zur Antwort, bringt Sie eine konstante Beschleunigung von 1 g in wenigen Wochen zu einem beträchtlichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit.
@Pere Viel Glück bei der Suche nach einem Kraftstoff mit dieser Art von Schub, der so lange brennen kann!
Eine konstante Beschleunigung von 1 g kann Sie innerhalb Ihres Lebens an jeden Ort im beobachtbaren Universum bringen. Nicht sicher, was der Punkt ist.
Hey, die Crew, die sich ständig herumzieht, kann eine gute Übung sein. Wenn dieses Schiff zufällig eine niedrige Schwerkraft hat, kann diese zusätzliche Übung helfen, dem Knochenschwund entgegenzuwirken. Nur zu sagen, ein wenig zusätzliche körperliche Anstrengung kann tatsächlich von Vorteil sein!
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