¿Cuál es la velocidad máxima de una nave espacial en el espacio, basada en la tecnología actual? Leí que con la propulsión de iones, las naves espaciales humanas pueden alcanzar velocidades de hasta 200,000 mph.

La velocidad máxima que puede alcanzar una nave espacial, según la tecnología actual, depende del modo de propulsión utilizado. Hasta ahora, el objeto hecho por el hombre más rápido en el espacio es Juno [1] a 40 kilómetros por segundo (25 millas por segundo).

Energía requerida para viajes de alta velocidad.
Este es el factor más importante que contribuye a la dificultad para obtener altas velocidades. Los estudios predicen que [2] acelerar a una décima parte de la velocidad de la luz requeriría 4.5 [matemáticas] \ veces [/ matemáticas] 10 [matemáticas] ^ {17} [/ matemáticas] Julios.

Modos de propulsión
Con el estado tecnológico actual de nuestra sociedad, estos son los métodos de propulsión que son viables, ignorando las implicaciones de costo que pueden tener:

• Paño

• Solar
• Láser
• Magnético

• Químico
• Eléctrico

• Electrostático
• Electromagnético

• Pulso nuclear
• Fisión nuclear
• Fusión nuclear

Más rápido usando la tecnología actual
Indiscutiblemente, la nave espacial más rápida entre la lista antes mencionada es una vela propulsada por láser [3]. Esta es una vela empujada por la presión de los fotones que inciden en un área con gran intensidad. Las velas pueden alcanzar velocidades cercanas a la luz y no están más allá de nuestros límites tecnológicos. El Breakthrough Starshot [4] tiene como objetivo alcanzar el 20-25% de la velocidad de la luz.

Fuente : SpaceRef.

Imagen : Vela Breakthrough Starshot en comparación con una moneda.

Notas al pie

[1] Juno (nave espacial) – Wikipedia

[2] [1101.1066] Energía, obsolescencia incesante y las primeras misiones interestelares

[3] Propulsión láser – Wikipedia

[4] Iniciativas innovadoras

La velocidad en sí misma es un concepto sin sentido en el espacio. Esa nave espacial, actualmente sentada en el suelo mientras se ensambla, en realidad se mueve a 30 km / s alrededor del Sol, junto con la Tierra. O, si lo desea, todos se mueven (incluido el Sol) a unos 200 km / s en relación con el centro de la Vía Láctea. ¿O qué tal más cerca de 400 km / s en relación con el resto del universo, específicamente el fondo cósmico de microondas?

OK, dices velocidad relativa a la Tierra. Pero eso tampoco es una buena medida. Las naves espaciales distantes, como New Horizons o Pioneer 10, se mueven en relación con la Tierra a velocidades que varían según las estaciones. Por ejemplo, dependiendo de la temporada, el Pioneer 10 puede acercarse a la Tierra a una velocidad de alrededor de 20 km / s, o alejarse de ella a alrededor de 40 km / s. Esto se debe a que Pioneer 10 está dejando el sistema solar con una velocidad heliocéntrica de aproximadamente 10 km / s; cuando la Tierra, en su órbita, se mueve en la misma dirección (a su propio ritmo de 30 km / s), se está poniendo al día con Pioneer, pero seis meses después, la Tierra se moverá en la dirección opuesta.

Un número mucho más útil es el delta-v: el cambio máximo en velocidad que una nave espacial puede alcanzar usando todo su combustible. Y lamentablemente, los números no son muy espectaculares siempre que estemos limitados a usar combustibles químicos. Lanzar una nave espacial en órbita requiere un delta-v de casi 8 km / s. Para que una nave espacial abandone las proximidades de la Tierra para siempre, se requieren cerca de 12 km / s. Esto ya consume la mayor parte del combustible en un cohete del tamaño de un rascacielos, solo para colocar una nave espacial que no pese más que un automóvil pequeño en la órbita deseada. La nave espacial puede tener combustible a bordo para efectuar otros pocos km / s en el cambio de velocidad, pero eso es todo: se acabó el juego.

Y tal vez en contra de la intuición, la desaceleración (por ejemplo, entrar en órbita alrededor de un planeta) también requiere combustible, ya que también representa un cambio en la velocidad, es decir, más delta-v. Por eso, por ejemplo, New Horizons no pudo entrar en órbita alrededor de Plutón; la sonda era lo suficientemente pequeña y su cohete lo suficientemente grande como para entrar en la órbita correcta para encontrarse con Plutón en primer lugar, pero una nave espacial tan pequeña simplemente no tenía espacio para la gran cantidad de combustible que habría sido necesaria para ese delta -v.

La conclusión es que con la tecnología de propulsión química actual, incluso si lanza una pequeña nave espacial con un enorme cohete, el delta-v máximo alcanzable no es más que unos pocos diez km / s (el valor real dependería de los detalles técnicos del diseño; tenga en cuenta que nadie está tratando de romper ningún récord de velocidad, las misiones espaciales están diseñadas con objetivos específicos en mente).

El récord del vuelo espacial humano más rápido lo tiene el Apolo 10 (la misión de ensayo general para el primer alunizaje del Apolo). El 26 de mayo de 1969 alcanzó los 39.897 km / h (11.08 km / so 24.791 mph) mientras regresaba de la Luna. Todas las misiones lunares del Apolo alcanzaron aproximadamente la misma velocidad máxima en aproximadamente la misma porción de su trayectoria de misión. Suena bastante rápido, pero en realidad no es nada. [matemáticas] 3.69 \ veces 10 ^ {- 5} c [/ matemáticas].

Poniendo eso en contexto, si hubiera podido mantener esa velocidad máxima (no pudo, pero quédate conmigo) y tomó el camino más corto de 56 millones de kilómetros desde la Tierra hasta nuestro planeta más cercano, Marte (de nuevo, no es posible, pero quédate conmigo) ) habría tardado casi dos meses en llegar a Marte. La distancia promedio es de 225 millones de km y cuando la Tierra y Marte están en sus polos opuestos, están separados por poco más de 400 millones de kilómetros. Las misiones Apolo habrían tardado entre 15 y 16 meses en hacerlo. ¿Quién quiere sentarse hombro con hombro con otras dos personas aburridas durante 16 meses?

Los satélites más rápidos fueron los dos Helios (nave espacial) que alcanzaron los 252,792 km / h (70.22 km / so 0,000234 c ) pero eran pequeños y básicamente iban muy rápido porque caían hacia el Sol en una gran órbita elíptica rápida.

Entonces, en términos de ir a lugares, incluso dentro del sistema solar somos realmente muy lentos. Nuestras limitaciones son impuestas por la física newtoniana y descritas por la ecuación del cohete Tsiolkovsky. Eso no va a cambiar. Necesitamos cargas de masa de reacción y una velocidad de escape muy alta si queremos ir más rápido. La tecnología alternativa más prometedora es el cohete de magnetoplasma de impulso específico variable que proporciona un empuje bajo durante un período prolongado. Todo lo demás es (hasta ahora de todos modos) pastel en el cielo pensando, por así decirlo.

Estrictamente hablando, cambio de velocidad o delta-V. Ignoremos los efectos de la gravedad, ya que eso puede producir varias complicaciones. Por ejemplo, la Tierra orbita alrededor del Sol a unos 30 km / s, por lo que si uno cancela eso con un delta-V dirigido hacia atrás de 30 km / s, uno caerá al Sol. A medida que uno se acerca a su superficie, uno se acercará a 600 km / s.

Qué tan rápido se puede ir, se puede determinar a partir de la ecuación del cohete de Tsiolkovsky:

[matemáticas] v = v_e \ ln \ frac {m_i} {m_f} [/ matemáticas]

donde ve es la velocidad de escape, mi es la masa inicial y mf es la masa final. Su relación es la relación de masa del cohete. Uno puede calcular cinco a partir del “impulso específico” de un cohete multiplicando por la aceleración de gravedad promedio de la Tierra, 9.81 m / s ^ 2.

Entonces uno puede ir arbitrariamente rápido si tiene una relación de masa lo suficientemente alta. Pero en la práctica, se limitará a un pequeño múltiplo de cinco. Si comienza con la masa de un Saturno V alimentado, aproximadamente 3 millones de kg, y la usa para acelerar una masa de 1 kg, obtendrá v cerca de 15 * ve. Acelerar una masa de 1 tonelada métrica da 8 * ve.

Así que debemos considerar qué tan alto podemos hacer cinco.

Teniendo en cuenta los motores de cohetes químicos que han volado, los mejores usan hidrógeno líquido y oxígeno líquido. El mejor de estos es el motor de cohete RL10, a 4.6 km / s en el vacío.

Los motores iónicos pueden funcionar mejor, aunque tienen * muy * bajo empuje. La nave espacial Dawn tiene 3 motores de iones NSTAR o derivados de NSTAR, cada uno con una velocidad de escape de 30 km / s.

Entonces, para los motores de iones, una relación de masa de 3000 daría 8 * ve o 240 km / s.

Permítanme agregar uno o dos conceptos de “pastel en el cielo” a la respuesta de Chris Craddock:

El reactor de fusión (muy) compacto sería un cambio de juego, porque tendríamos mucha más energía disponible para acelerar una cantidad limitada de masa de reacción a velocidades mucho más altas (ya sea térmicamente o por alguna variación del propulsor iónico (es decir, acelerador).

Ahora, si pudiéramos hacer funcionar algo similar a la ramjet de Bussard, tal vez podríamos recolectar la masa de reacción del medio interplanetario (y, en última instancia, interestelar). Algunos de ellos tal vez también podrían servir como combustible para el reactor de fusión.

Algunos de los lectores actuales de Quora probablemente verán el primer avance. Sin embargo, no soy tan optimista para esto último.

Otra clase de ideas de ciencia ficción que aumentaría significativamente nuestro alcance espacial son aquellas que dependen de materiales ultraligeros con una enorme resistencia a la tracción: elevador espacial y varias ataduras espaciales. No estoy conteniendo la respiración.

Podemos viajar a través del espacio a .9999999C (justo debajo de la velocidad de la luz), pero podemos viajar con espacio a 10C, o incluso a 100C. Piénselo de esta manera, cuando esté en una tabla de surf, solo puede remar tan rápido (análogo a la propulsión convencional de la tercera ley de newton). Pero cuando montas una ola, puedes ir mucho más rápido (unidades de distorsión). Las unidades Warp crean una depresión en el espacio-tiempo frente a la nave, y una ola detrás de ella. No estás violando ninguna ley de la física. El espacio se está moviendo, y tú estás inmóvil dentro de él.

Espero que esto ayude,
Davis

No es tanto una cuestión de velocidad máxima sino una de máxima aceleración.

El cuerpo humano solo puede soportar tantas gravedades y, en ausencia de algún tipo de campo de suspensión cinética o reconstitución física (en un líquido, por ejemplo), se imponen algunas V delta bastante suaves, solo en nombre de la supervivencia.

Me parece recordar que, con una aceleración constante de 1 g, una nave espacial que viaja a Proxima Centauri (a solo 4 años luz de distancia) apenas alcanzaría 0,97 c (la velocidad de la luz) en 2 años. Luego, a mitad de camino, el barco tendría que voltearse y desacelerar para no pasar por su destino final.

Actualmente, tenemos al Voyager I como nuestro punto de referencia para el vehículo espacial más rápido basado en tecnología probada. Está viajando a unos 8 kilómetros por segundo. Para llegar a la estrella más cercana en nuestra vida, necesitaríamos aumentar eso en 2,000x para poder llegar allí en 75 años. Dado que la mayoría de las ganancias de velocidad provienen del lanzamiento de hondas de otros planetas, necesitamos tener más suerte en el posicionamiento de los planetas que en la tecnología actual.

Tan rápido como su motor y combustible lo permitan, hasta una fracción sustancial de la velocidad de la luz, en cuyo punto comenzará a necesitar cantidades masivas de energía para ir más rápido.

El más rápido en la actualidad (solo para uso en el espacio) es de 50 kilómetros por segundo.