Exploración espacial: ¿por qué no podemos elevarnos lentamente al espacio? ¿Por qué tienes que ir tan rápido?

Puedes … pero solo bajo ciertas circunstancias. Un cohete autopropulsado, nuestro mejor método actual para llegar al espacio, simplemente no es uno de ellos.

TL; DR: Todavía no hemos creado las tecnologías (muy probablemente un ascensor espacial) que nos permitirán ascender al espacio de forma lenta y segura. La única forma en que tenemos ahora de llegar al espacio se basa en la combustión explosiva y es increíblemente peligroso: nunca haríamos que intencionalmente demore más tiempo antes de que podamos dejar de quemar combustible.

La física básica
Aceleración ascendente
Para mover cualquier objeto hacia arriba (incluso solo para lanzar una pelota de béisbol hacia arriba en el aire) debe aplicar una fuerza hacia arriba que sea mayor que la fuerza de gravedad hacia abajo. Como todos aprendimos en la física de la escuela secundaria, “F = ma” (“Fuerza = Masa x Aceleración”), pero dado que la masa del objeto es la misma sin importar en qué dirección lo empujes, la “masa” elimina a partir de la ecuación. Básicamente, es bastante simple: debes acelerar el objeto más fuerte de lo que la gravedad lo empuja hacia abajo .

Aceleración constante
Como todos sabemos por experiencia, la gravedad es una fuerza constante, nunca se apaga. La masa de la Tierra ejerce constantemente una fuerza “descendente” sobre la masa de cada objeto dentro de su rango. (Técnicamente, ese es cada objeto en el universo, pero por el bien de esta discusión, llamémoslo cada objeto dentro de la órbita de la luna).
Eso significa que tan pronto como dejes de empujar hacia arriba y oponerse al tirón de la gravedad, la gravedad comenzará a disminuir la aceleración hacia arriba de tu objeto, y eventualmente revertirá su progreso hacia arriba y hará que comience a acelerar de regreso a la tierra.

Aplicando una fuerza constante
Dada la física subyacente, está claro que para obtener un objeto “en el espacio”, debe aplicar una fuerza constante hacia arriba, pero esa fuerza que necesita aplicar puede debilitarse progresivamente a medida que se aleja de la superficie de la Tierra. Realmente hay tres formas básicas de aplicar esa fuerza ascendente:

1. Aceleración única (“balística”)
Aquí sería donde aplicas una enorme sacudida de aceleración y luego confías en la inercia para llevar el objeto al espacio. Piense en disparar un rifle masivo o una catapulta tan poderosa que le dé a su “bala” suficiente aceleración para escapar bien de la gravedad de la Tierra.
Si bien esto es físicamente factible, no es práctico en este momento por un par de razones: (1) todavía no hemos inventado máquinas que sean realmente capaces de entregar tanta fuerza, tan rápido, y (2) incluso si lo hiciéramos, nuestro la carga útil seguramente estaría sujeta a enormes fuerzas g. Podría comenzar fácilmente con un vehículo lleno de personas y computadoras, y terminar con una lata de “Sopa de carne y circuito”.
Si bien no es muy probable que alguna vez hagamos que este enfoque funcione con una técnica explosiva como cañones masivos, es una posibilidad realista una vez que dominemos otras tecnologías, especialmente imanes superconductores y cañones de riel. Con la tecnología adecuada, podría tener un “Orient Express Railgun Space Train” que abordará en París, pero lo lanzará al espacio solo una o dos horas más tarde en la costa este de China. Te acelerarías a un ritmo increíble para cuando lo lances, pero las fuerzas g en el transcurso del largo viaje nunca necesitarían hacerte sentir incómodo.
El problema es que la aceleración balística en el espacio simplemente no es posible hoy … e incluso cuando eventualmente lo será, tiene algunos desafíos prácticos realmente grandes. Y lo más importante, en términos de su pregunta, nunca podría ser “lento”.

2. Aceleración estructural constante
Este sería un mecanismo donde su vehículo está en contacto estructural constante con la Tierra, y utiliza algún tipo de palanca mecánica para generar su aceleración constante … piense en “escalera espacial” o “elevador espacial”.
Cualquier forma de “elevador”, ya sea en su edificio de oficinas o en el espacio, tiene una gran ventaja mecánica, porque en cualquier punto dado, todavía está realmente despegando del suelo. Solo piense en la diferencia entre intentar lanzar una bola de boliche de 10 kg en un estante muy alto (que sería “aceleración balística”) o subir una escalera y simplemente colocar la pelota en el estante. Si está subiendo, no tirando, podría tomar todo el tiempo que quisiera subir por la escalera, porque en cada paso, su contacto físico con la escalera transfiere su peso al suelo para que básicamente contrarreste la fuerza descendente de gravedad
La dinámica real involucrada es compleja, pero básicamente se reduce a esto: no se necesita más esfuerzo para aferrarse a una bola de boliche en el escalón superior, una vez que haya llegado allí, de lo que se necesita para aferrarse la misma bola de boliche en un escalón inferior de la misma escalera. Una vez que podamos extender algún tipo de elevador lo suficientemente alto, podríamos hacer exactamente lo que está proponiendo.

3. Aceleración autopropulsada constante
Este es el único modelo que está disponible para nosotros, dentro de nuestra tecnología actual … también conocido como “cohetes”. Un cohete ejerce su fuerza constante hacia arriba explotando la tercera ley de movimiento de Newton: “Para cada acción, hay una reacción igual y opuesta”. Los cohetes generan esa fuerza al lanzar una gran cantidad de átomos hacia abajo, muy rápido. La reacción igual y opuesta significa que también hay una fuerza hacia arriba en el cohete.
Sin embargo, el desafío con un cohete basado en combustible es que necesita transportar todo su combustible, tanto es así que el 90% del peso de un cohete típico es combustible. Para que todo ese combustible se levante del suelo (lo cual es bastante extraño, cuando lo piensas) necesita generar una enorme cantidad de aceleración.
Debido a eso, todos nuestros esfuerzos científicos en torno al combustible para cohetes se han centrado en la eficiencia , generando la mayor aceleración posible con la menor cantidad de combustible. No hay un beneficio real en gastar tiempo y energía tratando de crear un combustible “lento”, que podría hacer que un cohete suba lo más lentamente posible. Ya es bastante difícil subirlo al espacio lo más rápido posible.
Y eso trae a colación el último punto sobre por qué tratamos de ir “rápido” al espacio: como hemos aprendido de las tragedias del Apolo 1 y del Desafiador, y muchas otras explosiones de cohetes no tripulados, la tecnología de combustión que usamos ahora para los cohetes es peligrosa. . El período de tiempo cuando un cohete despega de la Tierra, pero aún no está en el espacio, es, con mucho, la ventana de mayor riesgo de cualquier misión. Mientras usemos la combustión para impulsar nuestros cohetes, nunca estiraríamos esa ventana intencionalmente y haríamos que transcurriera más tiempo antes de que el cohete alcanzara la relativa seguridad del espacio.

Solía ​​preguntarme esto yo mismo; de hecho, me preguntaba por qué no puedes seguir avanzando a 100 millas por hora para llegar a la luna, por ejemplo (además del hecho de que tomaría demasiado tiempo hacerlo).

La respuesta resultó ser simple: cuando viajas 100 mph, puede parecer que estás viajando a una velocidad constante … pero no lo estás: estás acelerando contra la gravedad de la Tierra. Si puedes mantener esa aceleración, eventualmente dejarás la Tierra por completo. Pero para mantener esa aceleración, tendrá que llevar su combustible consigo, lo que (además de tomarlo para siempre de todos modos) significa que necesitará MUCHO combustible.

Los globos empujan contra el aire para alcanzar su altura; sin embargo, solo pueden llegar tan lejos, porque finalmente el aire se vuelve tan delgado que no hay mucho contra qué empujar.

Alternativamente, si quemas mucho combustible muy rápido, irás tan rápido que la gravedad no puede ralentizarte lo suficientemente rápido como para evitar que te vayas; esto se llama “velocidad de escape”.

Por cierto, hay una respuesta a esta pregunta: ¿por qué las naves espaciales no pueden caer lentamente del espacio sin calentarse demasiado? La respuesta es que, en teoría, podemos hacerlo: se necesitaría mucho combustible para hacerlo. Todas nuestras técnicas de reingreso dependen de la fricción de la atmósfera porque es mucho más fácil que obtener mucho combustible; Sin embargo, debido a toda esa fricción, ¡las naves espaciales que regresan se calientan mucho!

Esta es realmente una buena pregunta. La verdadera respuesta es que la gravedad no se apaga mágicamente cuando entras en órbita. Todavía estás cayendo hacia la tierra. Pero una vez que alcanzas una velocidad horizontal de aproximadamente 17,000 millas por hora mientras caes hacia la Tierra, la sigues perdiendo. La única forma conocida de permanecer en el espacio es ir muy rápido y mantener una órbita. Entonces, a menos y hasta que tengamos un cohete que pueda empujar continuamente y flotar en un lugar, o inventar la antigravedad algún día, entonces ir rápido es la única forma de llegar al espacio.

Debido a que la gravedad está bajando, durante todo el viaje. Una vez que alcanzas la órbita, el tirón de la gravedad hacia abajo se equilibra con tu inclinación natural a volar hacia el espacio en una tangente, y puedes relajarte. Si la tierra no tuviera gravedad, podría conducir por el suelo en un automóvil especialmente construido que vaya más y más rápido hasta alcanzar su velocidad orbital, justo por encima del suelo. Pero no puede orbitar a través de la atmósfera, se quemará. Por lo tanto, debe levantarse por el aire lo más rápido que pueda.

No es que no haya otros enfoques bajo investigación. Puede levantar una nave por encima de la mayor parte de la atmósfera con un globo, luego hacer esencialmente lo que sugerí, pero el globo tendría que ser gigantesco, y la recompensa en términos de tamaño y costo del cohete será pequeña.

Puedes volar muy alto en un avión y lanzar un cohete desde allí, pero de nuevo, intercambias mucha complejidad por poca ganancia.

Esto se debe en parte a que, al hacerlo como lo hacemos ahora, la mayoría de la energía del cohete se destina a acelerar a la velocidad orbital. Comparativamente poco va a la subida real desde el suelo al espacio.

En el otro extremo, se ha propuesto que un lanzador de rieles podría arrojar objetos a la órbita con poco o ningún cohete necesario. Esto funcionaría elevando el objeto a una velocidad casi orbital en el suelo y disparándolo a través de la atmósfera tan rápido que podría perderse poca energía por la fricción. Esto definitivamente funcionaría, y todo lo que necesitaría es un pequeño motor para ajustar la órbita una vez que llegue allí. Sin embargo, hay un par de problemas. El lanzador sería enorme, costoso y potencialmente útil como un weapone. Segundo, cualquier cosa con cualquier estructura sería licuada por las fuerzas G.

Supongamos que estás lanzando una pelota.

Ahora, debe lanzarlo hasta a 100 m del suelo.

La única forma de hacer esto es darle la fuerza suficiente cuando la lanzas inicialmente para que alcance los 100 m. No puedes simplemente lanzar la pelota y esperar que se eleve lentamente a 100 m. Eso es físicamente imposible.

La razón es que la fuerza gravitacional sigue empujando la pelota hacia abajo, sin importar dónde se encuentre la pelota en la atmósfera.

¿Por qué la pelota sube más cuando la lanzas con una fuerza tan grande?

Fuerza = masa x aceleración

Esta aceleración que imparte en la pelota es un vector, es decir, tiene una magnitud y una dirección. Ambos son clave. La pelota necesita tener una gran aceleración en la dirección opuesta a la de la aceleración gravitacional hacia abajo para contrarrestarla y subir.

Los cohetes funcionan exactamente con el mismo principio.

Esta pelota que arrojaste a 100 m se caerá eventualmente. El satélite (lanzado por el cohete) también está siendo arrastrado por la gravedad de la Tierra, pero como viaja bastante rápido, sigue echando de menos la Tierra.

En realidad hay dos preguntas en una:
1) por que los objetos en órbita van tan rápido
2) ¿por qué tenemos que aumentar esta velocidad en poco tiempo (también conocida como aceleración enorme)

1) Porque ir al espacio es más como ir súper rápido hacia los lados que en realidad subir hacia arriba .

Piensa en un tiovivo: a medida que te mueves muy rápido alrededor del centro del disco, la fuerza centrífuga tiende a expulsarte, mientras tus brazos te mantienen en el tiovivo.
Del mismo modo, un cohete se mantiene en la tierra debido a la gravedad, pero puede combatirlo libremente yendo rápido hacia un lado, por lo tanto, tiene una fuerza centrífuga que contrarresta la gravedad.

Cuando digo rápido, es rápido como 7000+ m / s (17 000 millas / hora).

Como se dijo en la respuesta de Rob Hooft a ¿Por qué no podemos elevarnos lentamente al espacio? ¿Por qué tienes que ir tan rápido? Hay otras formas de contrarrestar la gravedad que la fuerza centrífuga, pero son muy poco prácticas en el espacio.

2) De hecho, nos elevamos lentamente al espacio. Si tiene en mente el despegue del cohete, piense que es solo la primera parte del alza de un cohete.

Un cohete tiene que aumentar algo de velocidad vertical para escapar de la atmósfera (para evitar quemarse en él) y tener tiempo para construir velocidad horizontal, pero la mayor parte del desafío es construir velocidad horizontal (en realidad es mucho más fácil entrar espacio hacia arriba que permanecer allí yendo hacia un lado).

La mayor parte de la pérdida de energía de un cohete proviene de acelerar hacia arriba, por eso la primera parte del levantamiento necesita un gran golpe, hasta una aceleración de 2 g al inicio para los cohetes más potentes (lo que significa que irá hacia arriba tan rápido como si estuviera cayendo )

Pero después de eso, no hay necesidad de apurarse, los motores más eficientes de la segunda etapa tienen menos aceleración. Un lanzamiento típico dura 10 minutos, la mayoría de los cuales es una aceleración lateral relativamente lenta (menos de 1 g).

Oh, puedes elevarte lentamente al espacio. Felix Baumgartner hizo eso … y más recientemente, Alan Eustace de Google.

Pero ya ves … retrocedieron .

Si realmente desea permanecer allí, necesita tener suficiente velocidad para contrarrestar la gravedad de la Tierra. O bien, debe “elevarse lentamente”, pero mucho más allá de la atmósfera de la Tierra, para que la flotabilidad no lo ayude; ¿todavía necesitarás un cohete, que arde sin parar durante qué días? ¿semanas? ¿meses? solo para evitar que retrocedas. Lo que en realidad es mucho peor que quemar un cohete durante unos minutos y alcanzar una velocidad suficiente para que tu energía cinética ahora exceda la energía potencial gravitacional debido a la Tierra … en otras palabras, estás libre de la gravedad de la Tierra.

21 respuestas ya, y nadie ha usado la cita, “Lo que sube debe bajar”.

Eventualmente, podemos superar esta limitación, y tal vez incluso podamos vivir cómodamente en la altitud, dentro de la atmósfera, algún día.

El Laboratorio Cern (Acerca del CERN | CERN) está trabajando en ideas que eventualmente podrían llevar a los investigadores a esta tecnología. Se cree que el bosón de Higgs (bosón de Higgs – Wikipedia en inglés simple, la enciclopedia libre) contiene un elemento que da masa a todo y hace que la gravedad funcione como lo hace. Una vez que esta investigación progresa, en algún momento, flotar en el espacio puede ser posible.

La función principal del CERN es proporcionar los aceleradores de partículas y otra infraestructura necesaria para la investigación de física de alta energía; como resultado, se han construido numerosos experimentos en el CERN como resultado de colaboraciones internacionales.

CERN es también el lugar de nacimiento de la World Wide Web. El sitio principal en Meyrin tiene una gran instalación informática que contiene potentes instalaciones de procesamiento de datos, principalmente para el análisis de datos experimentales; Debido a la necesidad de poner estas instalaciones a disposición de los investigadores en otros lugares, históricamente ha sido un importante centro de redes de área amplia.

Ver también la entrada de Wikipedia: CERN

Además de todos los excelentes comentarios anteriores, dentro de la atmósfera, el venturi de salida hipersónico del motor está optimizado para la presión ambiental ((atmosférica) – (que disminuye rápidamente con la altitud; idealmente, la presión de salida debería ser igual a la atmosférica, por lo que la necesidad del ventri se reduce a medida que avanza. Los venturis de la etapa de refuerzo son muy adecuados para la operación a nivel del mar, por ejemplo, y otros están diseñados para su altitud media; de lo contrario, se obtendría un motor mal diseñado, con el resultado del desgaste de combustible. Todos los diseños atmosféricos son un compromiso en el mejor de los casos, hasta aquellos para atmósfera cero.

Hay dos respuestas a esto. Uno es sobre movimiento balístico, el otro es sobre cohetes espaciales.

La primera respuesta tiene dos palabras: velocidad de escape.

A medida que te mueves, acumulas energía cinética (es lo que hace que un martillo sea útil). Pero también, a medida que asciendes, debes luchar contra la energía potencial gravitacional del planeta, que insiste en que te quedes en casa.

Para equilibrar estos, porque no sabemos cómo cambiar la gravedad, necesita aumentar su energía cinética. La forma más fácil de hacerlo es ir más rápido (es por eso que puedes martillar un clavo más fácilmente si haces que golpee el clavo más rápido, pero al clavo apenas le importará si mueves el martillo muy lentamente, aunque sea el mismo martillo).

Entonces, hay un límite de velocidad que debes cruzar donde tu energía cinética será más grande que la energía gravitacional de la Tierra. Esa es la velocidad de escape, aplicada al movimiento balístico (no autopropulsado)

Por otro lado (aquí está la segunda respuesta), tiene razón: un cohete que tiene suficiente combustible simplemente podría salir del pozo de gravedad, a cualquier velocidad. Es solo que las matemáticas resultan que la cantidad de combustible que podemos meter en un cohete, dada la cantidad de empuje que genera por segundo y por tonelada de masa, solo durará tanto tiempo; por lo tanto, el cohete debe escapar de la gravedad mucho antes de quedarse sin combustible; por lo tanto, debe viajar bastante rápido.

Para agregar a las otras excelentes respuestas aquí, debe tomarlo con calma en las capas inferiores de la atmósfera. A medida que el arrastre (es decir, la resistencia del aire) aumenta con el cuadrado de la velocidad, justo después del lanzamiento, es mejor girar el acelerador hacia abajo y abrirlo por completo solo cuando alcance una cierta altitud, donde el aire es más delgado. Está desperdiciando combustible si no lo hace, sin mencionar que el cohete puede no ser capaz de hacer frente a las fuerzas generadas y simplemente desmoronarse.

DESCARGO DE RESPONSABILIDAD: Como siempre, todo lo que sé sobre el espacio lo sé del Programa Espacial Kerbal. Puede que en realidad no se corresponda con la realidad.

EDITAR: Como comentó el usuario de Quora, los motores de cohetes reales no tienen acelerador o solo tienen dos configuraciones, a diferencia del rango continuo disponible en KSP. Esto probablemente tiene que ver con que los cohetes reales son menos potentes que los de KSP.

Si construyeras una torre de aproximadamente 36,750 kilómetros de altura (no es posible) o un elevador de cable, un elevador espacial (más factible) y tomas el elevador hasta la cima y sales, estarás sin peso y en órbita alrededor de la tierra. No te moverías en relación con la superficie de la tierra, pero aún estarías en órbita (órbita geosíncrona). Esta es una órbita donde están hoy miles de satélites y la velocidad orbital es de aproximadamente 7000 mph, lo que equivale a una velocidad de superficie igual a la superficie de la tierra. Pero sería un viaje lento. ¡A la misma velocidad que un ascensor exprés (10 m / s), tardaría 42 días en llegar!

Porque ir despacio es aún más difícil.

Una forma de comenzar lentamente es empujarse contra el aire. Esto es lo que hacen los sistemas que comienzan con un globo (por ejemplo, Baumgartner) o un avión (por ejemplo, Virgin Galactic). Pero a cierta altura “te quedas sin aire” para empujarte contra ti mismo, y entonces las dos únicas formas que quedan son un cohete que te empuja hacia abajo con la misma fuerza con la que la gravedad te empuja hacia abajo (prohibitivamente caro en combustible para cohetes, y pesado, ver la ecuación del cohete Tsiolkovsky), o ir lo suficientemente rápido como para que la gravedad te permita “caer” alrededor de la tierra (ver órbita terrestre baja). Este último es el más práctico.

La siguiente respuesta puede ser válida en algún momento en el futuro.

Elevador espacial electromagnético

“El primer paso de la idea es tener una estación de energía solar en órbita alta. Los pasos continuos incluirían construir el elevador hacia abajo con múltiples conjuntos de anillos electromagnéticos con diámetro fijo que soportarán la estructura principal del edificio para el elevador. Los anillos NO están físicamente conectados y deben ser extraíbles y posibles de volver a montar cuando sea necesario.

La corriente electromagnética (EMC) o las ondas EM es una de las claves del rompecabezas y si los anillos del electroimán tienen la distancia correcta entre ellos, actúan como anillos múltiples para transmitir ondas EM. La fuerza electromagnética (EMF) producida por los anillos combinados funcionaría en los elementos a transmitir y el elevador espacial funcionaría como una máquina de extracción en los elementos que estarían flotando (o lo más cerca posible) hacia arriba a través de los anillos espacio.

Hay varias formas de construir los anillos y la tecnología nano podría usarse para presentar material con bobinas electromagnéticas y propiedades superconductoras. Cuando se trata de energía, necesitaría una planificación cuidadosa ya que la energía se originaría en plantas de energía externas y la energía necesaria para conducir el elevador se conocería desde el diseño, así como la tracción gravitacional hacia abajo estaría incrustada en el diseño del sistema desde comenzando. La fuerza descendente total se calcularía a partir del peor de los casos con todos los anillos como el último anillo más cercano a la superficie terrestre.

Los anillos se regirán con una retroalimentación del sistema de regularidad para mantenerlos en su lugar. Ante una posible falla del sistema, el diseño debe asegurar a los anillos un deslizamiento suave hacia la tierra ”.

Salir rápidamente de la gravedad de la Tierra al espacio requiere menos logística en lugar de moverse lentamente. Una vez que podemos superar la velocidad de escape en un cohete, podemos transportar materiales al espacio.

Ahora podemos movernos lentamente al espacio? Si. Mientras tengamos suficiente energía para continuar escalando lentamente, podemos llegar al espacio exterior. Pero para hacer eso, necesitamos construir una escalera alta desde la tierra hasta la luna, por ejemplo. Ahí es donde entra el tema de la logística y la energía.

Finalmente, siempre debemos tener una plataforma de aterrizaje terrestre en el espacio para llegar si decidimos llegar lentamente ya que no tendremos la velocidad necesaria para entrar en órbita alrededor de cualquier objeto celestial.

Vea si jpaerospace.com todavía está presente. No estoy de acuerdo en que su enfoque tenga sentido, pero no estoy calificado para juzgar.

Brevemente, utiliza una gigantesca aeronave, lanzada desde una base alta en la estratosfera, y motores eléctricos de bajo empuje que la impulsan a la velocidad orbital durante varios días.

Una vez más, xkcd tiene la respuesta: velocidad orbital

Puede, entrar en globo de helio, pero asegúrese de llevar algo de oxígeno con usted. La razón por la que TIENES que ir tan rápido es porque la velocidad de escape es lo que se necesita para sacar bien de la gravedad de la Tierra porque el continuo espacio-tiempo está curvado por la masa … Solo hay un límite que puedes subir en la atmósfera antes de que no haya t suficiente ambiente y presión afuera y DENTRO del globo para mantenerte ahí arriba. El hidrógeno es explosivo y demasiado peligroso. tal vez sea mejor que veas algunos videos de Hindenburg.

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Puedo pensar en un caso en el que tendría sentido ir despacio. Supongamos que tiene una nave espacial interestelar capaz de viajar a una décima parte de la velocidad de la luz. Suponga que no es aerodinámico y no está diseñado para más de 1.1 G. En ese caso, podría acelerar a .1 G para una gravedad combinada más una aceleración de 1.1 G.

Algunas personas podrían argumentar que dicha nave espacial se construiría en una órbita terrestre baja, pero eso implica el uso de mil cohetes químicos más un motor interestelar. ¿Por qué no usar solo el motor de cohete interestelar y no motores químicos?