Wie würde die hohe Schwerkraft den Fortschritt einer empfindungsfähigen Spezies zur Weltraumforschung behindern? [geschlossen]

Sie werden feststellen, dass Sie immer exotischere Brennstoffe benötigen, wenn Sie sich höhere Schwerkraftniveaus ansehen.

Kraftstoffe werden mit ISP bewertet: spezifischer Impuls. Der spezifische Impuls ist die Impulsmenge, die Sie pro Kilogramm Kraftstoffmasse erzeugen. Typischerweise wird es in Einheiten von Ns/kg angegeben (außer in englischen Einheiten, wo es in Sekunden gemessen wird...). Wikipedia hat eine Liste davon, aus der wir einige Beispiele auswählen können:

• LOX+H2 (flüssiger Sauerstoff und Wasserstoff) – 3816 Ns/kg
• LOX+RP1 (flüssiger Sauerstoff und Kerosin) - 2941 Ns/kg
• N2O4+N2H4 (Lachgas und Hydrazin) - 2862 Ns/kg

Diese Liste gilt für flüssige Brennstoffe, der ISP für feste Booster liegt typischerweise bei etwa 2400 Ns/kg

Die Fluchtgeschwindigkeit ist proportional zur Quadratwurzel der Masse des Planeten. Das bedeutet, dass Ihr Planet mit einer Schwerkraft von 4 G an der Oberfläche Fahrzeuge benötigt, die die doppelte Geschwindigkeit erreichen, um zu entkommen. Wie Sie bemerken, waren die Gewinne aus der Verwendung exotischer Chemikalien zum Betanken Ihrer Rakete begrenzt. Es gab Vorteile, aber nur so viel. Das bedeutet, dass die einzige wirkliche Möglichkeit, Ihre Geschwindigkeit zu erhöhen, darin besteht, mehr Kraftstoff einzupacken. Der Wechsel zu exotischeren Kraftstoffen wird es einfach nicht bringen (und glauben Sie mir, Hydrazin ist exotisch )

Dafür gibt es eine Gleichung, die als Tsiolkovsky-Raketengleichung bekannt ist :

Woher$m_0$ist die Trockenmasse der Rakete nach dem Manöver und$m_f$ist die Nassmasse vor dem Manöver. Wir können dies verwenden, um herauszufinden, was dies mit der Masse unseres Kraftstoffs macht, indem wir die Nassmasse neu anordnen:

Da wir mit der Schwerkraft der Erde vergleichen, wo$\Delta v$Die Fluchtgeschwindigkeit beträgt 11200 m / s und bei Verwendung von Raketen, die bei einem ISP von etwa 3000 N-s / kg enden (was bei einer Dimensionsanalyse mit 3000 m / s identisch ist, erhalten Sie ein Verhältnis von 41,8! Dies bedeutet Reichweite Die Fluchtgeschwindigkeit erfordert satte 41,8-mal mehr Treibstoff als auf der Erde!

Absolut, während die atmosphärische Dichte einen sehr starken Einfluss auf die Entwicklung der Raumfahrt haben würde, würde die Schwerkraft allein jede Entwicklung verlangsamen oder sogar verhindern, wenn sie stark genug wäre.

Darüber hinaus fällt eine erhöhte Schwerkraft oft mit einer erhöhten atmosphärischen Dichte zusammen, was den Luftwiderstand eines Raumfahrzeugs erhöht und dazu zwingt, noch mehr Treibstoff zu verbrennen. Dieser Brennstoff wiegt dank der Schwerkraft mehr, wodurch noch mehr verbrannt wird. Es wird wahrscheinlich einen Grenzpunkt geben, an dem die Schwerkraft stark genug ist, dass keine herkömmliche Rakete jemals hoffen könnte, zu entkommen.

Die Raumfahrt, die sich auf einer solchen Welt entwickelt hat, wäre ein erstklassiger Kandidat für eine abweichende Entwicklung. Eine erhöhte atmosphärische Dichte könnte verwendet werden, um Raumflugzeuge lebensfähiger zu machen. Wenn ich ein Weltraumrennen von einem solchen Planeten schreiben würde, würde ich sie Raumflugzeuge und Zeppeline stark einsetzen lassen, von denen letztere sogar auf der Erde erstaunlich effektiv sind.

Ich schlage vor, einige Nachforschungen über die Endgeschwindigkeit und Möglichkeiten zur Verringerung des Luftwiderstands in Flugzeugen anzustellen und zu sehen, wie plausibel ein Raumflugzeug ist, das auf Flucht- oder Umlaufgeschwindigkeit in der oberen Atmosphäre trifft. Wenn die Dinge vielversprechend aussehen, dann gibt es Ihre Antwort.

Ihr größtes Problem liegt tatsächlich im Kraftstoff . Bei einer höheren Schwerkraft muss die Rakete mehr Treibstoff verbrennen, was weniger Raketen bedeutet. Sie werden immer noch in der Lage sein, in den Weltraum zu fliegen, aber sie werden wahrscheinlich keine Zeit damit verschwenden, Planeten zu kolonisieren, und werden diese wertvolle Weltraumzeit eher nutzen, um produktivere Dinge wie das Platzieren von Satelliten zu tun.

Hier sind ein paar Punkte, die helfen könnten.

1. Sie könnten später in der Entwicklung die Raumfahrt entwickeln, nachdem sie ein höheres Technologieniveau erreicht haben, beispielsweise eine bessere Miniaturisierung.
2. Bessere Kraftstoffe, wie bereits erwähnt.
3. Mehr Kraftstoff, weniger Nutzlast. Vielleicht wäre für sie eine Art Kohlenstoff-Nanoröhren-Gittertechnologie die einzige Möglichkeit, Materialien zu bekommen, die stark genug sind, um die Raketen groß genug zu machen, um den benötigten Treibstoff aufzunehmen, auch wenn es teurer ist. Außerdem würden sie vielleicht mehr Roboternutzlasten starten, da sie kleiner sein können. Stellen Sie sich eine Apollo-Rakete vor, die eine Nutzlast von der Größe einer Grapefruit trägt. Dies würde natürlich ihre „Weltraumfahrt“ zu einem Stellvertreter machen.
4. Sobald sie den Planeten verlassen, müssen sie sich möglicherweise auf alternative Wege verlassen, um eine Bevölkerung in den Weltraum zu bringen (vorausgesetzt, das ist es, was Sie wollen). Zum Beispiel schaffen es vielleicht nur ein oder zwei Wissenschaftler in den Weltraum, aber sie tragen Tausende von Eiern und Spermien mit sich (vorausgesetzt, sie vermehren sich überhaupt auf diese Weise) und wachsen oder klonen eine Population.
5. Ein Teil des Effekts könnte durch eine schnellere Drehung gemildert werden. Raumfahrzeuge erhalten eine Unterstützung, wenn sie in der Nähe des Äquators starten. Ich habe nichts berechnet, also fügt das vielleicht nicht viel hinzu.

Ich hatte noch ein paar andere Ideen, aber ich habe sie beim Tippen vergessen.

Wie auch immer, ich habe kein Problem mit „meinungsbasiert“, also hoffe ich, dass das, was ich getippt habe, Ihnen einige Ideen zum Nachdenken gegeben hat. Viel Glück.

Die Raketengleichung ist brutal, es braucht keine Welt, die zu viel größer ist als die Erde, bevor chemische Raketen es einfach nicht tun werden. Das bedeutet jedoch nicht, dass sie für immer planetengebunden sein werden.

Kernthermische Raketen können sich dem Verdoppeln des ISP von chemischen Raketen nähern, wodurch ein Start mit der doppelten Schwerkraft gut möglich ist.

Es gibt auch die Gaskern-Version der Kernwärme – Ihr Reaktor ist eher gasförmiges als festes Uran. Dies verdoppelt mehr als das, was Sie von der Kernthermie erhalten können, und dies verdoppelt wiederum die Geschwindigkeit, die Sie erreichen können. Die ziemlich engen Betriebsgrenzen eines Kernreaktors lassen dieses Design jedoch schrecklich beängstigend erscheinen!

Jetzt sind wir bei den dreckigen Motoren:

Die Kernwärmerakete mit offenem Kreislauf - Sie halten eine Kettenreaktion in Urangas aufrecht (wahrscheinlich UF6, um die Handhabung zu erleichtern). Dies ist das 2- bis 6-fache des ISP gegenüber dem Motor mit geschlossenem Kreislauf, da Sie es nicht enthalten müssen. Ihr verbrauchter Kraftstoff wird jedoch zu Ihrem Abgas - schädlich für die Umwelt, und die Besatzung nimmt auch eine beträchtliche Dosis auf.

Orion beginnt in der Mitte dieses Bereichs. Auch hier ist Ihr Auspuff heiß. Größere Raketen haben eine bessere Leistung, wenn sie groß genug sind, können Sie verstärkte Bomben verwenden und Ihren ISP noch weiter steigern. Ich kann keine Schätzungen der Strahlenbelastung der Besatzung finden, aber angesichts der Zahlen für die Kerngasrakete mit offenem Kreislauf finde ich das besorgniserregend.

Schließlich gibt es noch die Nicht-Raketen-Ansätze:

Zuerst die Startschleife. Sie bauen zwei Stationen Tausende von Meilen voneinander entfernt, aber auf demselben Breitengrad. Sie werfen Eisenstangen hin und her. Die Stäbe hören nie auf, wenn eine Station sie einfängt, werden sie mit einem riesigen Magneten herumgepeitscht und zurückgeworfen, wobei sie ihre Geschwindigkeit beibehalten. Beachten Sie, dass die Stäbe einander so nah wie möglich verfolgen, jeder wird hinter dem vorderen ziehen, der Luftwiderstand ist nicht so, wie Sie es erwarten würden.

Sobald Sie diese Stäbe hin und her fliegen lassen, bauen Sie eine Schiene darauf – denken Sie an eine Magnetschwebebahn, aber auf dem Kopf stehend, die Schiene schwebt auf den Stäben, nicht umgekehrt. Natürlich übt dies eine nach unten gerichtete Kraft auf die Stäbe aus, aber dem wird entgegengewirkt, indem sie beschleunigt werden. Das Ziel hier ist es, ein gutes Stück Gleis im Grunde aus der Atmosphäre zu bekommen. Sie können dann einen Linearmotor darauf montieren, Ihr Raumschiff fährt die Strecke mit vernünftigen atmosphärischen Geschwindigkeiten hinauf, sobald es die Atmosphäre verlassen hat, trifft es auf die Hochleistungsstrecke und wird in die Umlaufbahn gebracht. Die Kette muss massiv genug sein, um den Rückstoß zu absorbieren, ohne außer Betrieb gesetzt zu werden.

Riesig, teuer und da es auseinanderfällt, wenn eines der aktiven Systeme ausfällt, wäre es gefährlich. Der ISP ist jedoch unendlich, da keine Handwerksressourcen für den Boost verwendet werden.

Endlich eine Lösung, die die Startschleife wie ein Kinderspielzeug aussehen lässt:

Bauen Sie am Äquator eine Magnetschwebebahn um die Welt. Baue einen Zug auf der Strecke, der sowohl oben als auch unten eine Magnetschwebebahn hat. Verwandle die Strecke in einen evakuierten Tunnel und beschleunige den Zug auf über Umlaufgeschwindigkeit. Es übt nun eine nach oben gerichtete Kraft auf die Strecke aus, die der Masse des Systems entgegenwirken kann. Baue höher, baue einen weiteren Zug. Jeder Zug trägt die Masse des Abschnitts darunter, so dass die normalen Grenzen, wie hoch Sie bauen können, nicht gelten – Sie können aus der Atmosphäre heraus bauen und dann auf Linearmotoren zurückgreifen, um Ihr Raumschiff zu schieben.

Obwohl dies wiederum ein dynamisches System ist, das zusammenbricht, wenn es aufhört, sich zu bewegen, halte ich es nicht für so gefährlich, solange Sie Supraleiter verwenden, ist es kurzfristig in sich geschlossen. Wenn der Strom ausfällt, arbeitet es weiter, bis die Magnete erlöschen.

Keines der beiden Systeme könnte vernünftigerweise in einer Gesellschaft mit Terroristen oder Wahnsinnigen aufgebaut werden, die zu spektakulären Selbstmorden neigen.

Wenn die Gravitation hoch genug war, um das Abheben vom Boden unwirtschaftlich zu machen, aber Raumflug etwas ist, was Ihre Spezies will, können sie Methoden ausprobieren, die Science-Fiction-Autoren bereits beschrieben haben, um aus größerer Höhe zu starten.

Die Wirkung der Schwerkraft ist geringer, je weiter Sie vom Massenmittelpunkt entfernt sind - das Starten von einem Berg würde etwas weniger Kraftstoff verbrauchen als das Starten vom Meeresspiegel. Weitaus relevanter jedoch: Ausgehend von einem Flugzeug (das die höhere atmosphärische Dichte nutzen könnte, um leichter einen Auftrieb für die Masse Ihrer Rakete zu erreichen) oder einem Zeppelin würde das hohe G wahrscheinlich so weit gemildert, dass der Weltraumflug möglich wird.

Darüber hinaus sagen einige, dass es sogar hier auf der Erde effektiver wäre, so zu beginnen - aber da wir ein funktionierendes bodengestütztes System haben und neue Methoden Risiken und Entwicklungskosten mit sich bringen, werden wir es wahrscheinlich nicht in absehbarer Zeit versuchen. Eine Hoch-G-Zivilisation könnte also nach einem langsameren Start tatsächlich in der Lage sein, schneller voranzukommen, da sie zwei Vektoren hat, entlang derer sie Verbesserungen anwenden kann (bessere Luftschiffe, die ihnen einen höheren Startpunkt geben können, damit das Luftschiff möglicherweise schneller und schneller fährt Erdrotation für eine zusätzliche Geschwindigkeit, was bedeutet, dass noch weniger Delta-V von der Rakete benötigt wird, und natürlich von der Rakete selbst und ihrem Treibstoff).