¿Por qué los aviones no pueden seguir subiendo?

Question

Parece ser un duplicado:
¿Por qué las naves espaciales despegan con cohetes en lugar de simplemente ascender como un avión hasta llegar al espacio?

Ignorando que los motores solo funcionan en el aire, digamos que es un avión militar. ¿Por qué no entramos en el espacio simplemente usando la tecnología de aviones para subir tanto como sea posible y luego cambiar a un cohete?

Por ejemplo (aunque me refiero a una sola nave, no dos) en una de las películas de Superman, un transbordador espacial está en la parte trasera de un 747, pero en lugar de simplemente ser transportado, se lanza desde la parte trasera del 747.

Ciertamente esto usa menos energía, no estoy seguro, pero parece lógico que un 747 (incluso con el peso del transbordador en él) use menos energía para llegar a su altitud máxima, que un transbordador lanzándose verticalmente usado para alcanzar la altitud máxima de un 747.

¿Qué lo evita físicamente? ¿Hay algo sobre el vuelo horizontal que no es adecuado para el vuelo espacial?

EDITAR: No lo dejé claro, pero si el 747 se modificara para que su altitud fuera mayor, una especie de combinación de avión militar y 747.

Answer 1

Lanzar un vehículo espacial desde un avión es un ejemplo de lanzamiento aéreo y efectivamente ofrece algunas ventajas como un impulso inicial en altitud y hacer que una parte mayor del sistema de lanzamiento sea reutilizable. El lanzamiento aéreo ha estado ganando popularidad recientemente, ver el avión de carga White Knight de Space Ship One y el reciente plan de Paul Allen para una nueva nave espacial comercial.

Sin embargo, pasar de esto a un solo vehículo con un sistema de propulsión dual (uno para vuelos atmosféricos y otro para vuelos espaciales) tiene desventajas muy significativas. Uno de los mayores desafíos cuando se trata de lanzar al espacio es la gran cantidad de combustible que se necesita usar por cada kilogramo de masa útil. La razón de esto es que lanzarse al espacio no se trata solo de salir de la atmósfera (esto no está muy lejos: solo 100 km sobre tu cabeza), sino que también se trata de lograr la velocidad orbital o la velocidad de escape (aproximadamente 7-8 km/s y 11.2 km/s respectivamente en el caso más común). Acelerar un vehículo hasta esta velocidad requiere una gran cantidad de energía y combustible. Ver la ecuación de cohete de Tsiolkovsky y este gráfico.

Este desafío es la razón por la que los lanzadores emplean el enfoque opuesto: a diferencia de los aviones, desechan cada pieza pesada de equipo que ya no es útil para el resto del vuelo (por ejemplo, las primeras etapas de un cohete de varias etapas).

Llevar el sistema de propulsión atmosférica contigo hasta el espacio (y hasta la velocidad orbital o de escape) haría que cada lanzamiento fuera extremadamente caro, si no imposible.

Answer 2

Hay cosas buenas y malas sobre volar a través de la atmósfera:

• el aire produce arrastre en tu aeronave/nave espacial, por lo que necesitas suministrar energía para contrarrestar esto
• por otro lado, puedes cortar una ala a través de este aire y producir sustentación (generalmente a un costo de combustible más bajo que disparar un motor a chorro o cohete verticalmente)
• puedes usar un "motor de respiración en aire" (como un motor de pistón que impulsa una hélice, o un motor a reacción turbojet o turbofán, etc), que recoge su oxidante de la atmósfera en lugar de tener que llevarlo desde el sitio de lanzamiento (muy costoso en términos de peso y volumen)

Las complicaciones involucradas en tratar de hacer que un avión vuele muy alto y muy rápido (es decir, intentar llegar a la órbita, o una buena parte del camino antes de pasarle el trabajo a un cohete):

• a medida que subes más alto, el aire se va volviendo más delgado
• para obtener la misma cantidad de sustentación de aire más delgado, necesitas usar una ala más grande, o volar a través de él más rápido
• a medida que el aire se vuelve más delgado, la potencia disponible para ti de un motor de respiración en aire disminuye
• a medida que vas más rápido, alcanzando velocidades supersónicas y altas velocidades supersónicas, el flujo de aire se vuelve más difícil de manejar (más arrastre y calentamiento aerodinámico)

Answer 3

Creo que una razón por la que no hemos visto algo así (además del hecho de que un motor que respira aire solo te lleva hasta cierta altura) es que las cosas que hacen que un buen avión hagan una nave espacial pobre y viceversa.

Un buen avión tiene alas grandes (en comparación con el tamaño del cuerpo) con motores grandes con secciones frontales grandes que actúan como conductos de aire para los motores. El cuerpo está diseñado para ser delgado y ligero para tener un buen alcance (pero lo suficientemente resistente para trabajar a la velocidad del sonido). El cuerpo también no es hermético, la presión de la cabina y los niveles de oxígeno se mantienen utilizando aire en exceso succionado de los motores que se enfría y luego se bombea a través de la cabina, el aire en exceso se libera a través de válvulas en el cuerpo del avión (http://www.wisegeek.com/what-is-cabin-pressurization.htm).

Una nave espacial no necesita alas grandes, de hecho, alas grandes serían una desventaja ya que sería muy difícil diseñar alas lo suficientemente resistentes para soportar la velocidad máxima de la nave a través de la atmósfera y aún así ser lo suficientemente grandes para el vuelo normal. Lo mismo ocurre con los motores que respiran aire al estilo del 747, sería muy difícil diseñarlos para resistir el calor de la reentrada (y como se mencionó, serían peso muerto durante al menos el 90% del viaje de ida y vuelta). Una nave espacial tendría que ser hermética y tener su propio suministro de oxígeno, lo que cambia la forma en que la construyes, imagino que haciéndola más pesada (¿es la lanzadera más pesada que un avión de la misma longitud?).

Puede que quieras mirar los desafíos que enfrenta la ingeniería el avión más cercano que se asemeja a lo que estás buscando, el SR-71, Wikipedia debería darte una idea de lo difícil que fue construirlo (y aún así no era una nave espacial real).

Answer 4

Construir una nave que pudiera volar atmosféricamente en la baja atmósfera con motores de respiración de aire, luego acelerar a la velocidad de escape con motores de cohete y luego usar la misma forma aerodinámica como escudo térmico en la reentrada es tecnológicamente un poco complicado. Un proyecto HOTOL fue considerado pero nunca pasó de los bocetos.

Lanzarse desde un avión tiene más sentido. En un cohete convencional, necesitas acelerar toda la masa desde velocidad 0 en el suelo. Necesitas grandes motores cohete potentes para acelerar a través de la densa baja atmósfera que necesita mucha combustible, el cual también necesitas acelerar, por lo que necesitas motores más grandes.
Necesitas salir de la densa baja atmósfera lo más rápido posible, por eso vas directo hacia arriba y aceleras lo más rápido posible, por lo que necesitas motores más grandes - y así sucesivamente. Es por eso que los cohetes típicamente tienen múltiples etapas que puedes desechar para aligerar la carga.

Hay un par de proyectos que lanzan cohetes por encima de la baja atmósfera desde aviones - Pegasus es el más exitoso - pero estos están limitados por el tamaño de la aeronave portadora.