Какова оптимальная форма космического корабля?

Сферы лучше всего, но проще всего изготовить цилиндры.

Для наибольшего внутреннего объема по сравнению с площадью поверхности и, следовательно, наименьшей возможной массы сфера является идеальной формой для космического корабля. Орбитальный модуль космического корабля « Союз» представляет собой примерно шар:

Большинство используемых строительных технологий основаны на металлических пластинах . Поэтому космические аппараты в виде кубов или цилиндров (гнутая пластина) просты в изготовлении. Однако острые края менее оптимальны, чем сфера, чтобы противостоять внутреннему давлению.

Для длительного пребывания в космосе полезно иметь своего рода искусственную гравитацию, вызванную вращением. Тогда хорошим вариантом будут цилиндры и торы. Их также довольно легко надуть. (это ограничение запуска, но важное)

Космический корабль с искусственной гравитацией не обязательно должен иметь изогнутую форму, два или один космический корабль и противовес с тросом между ними могут в основном делать то же самое.

Для некоторых типов двигателей, в первую очередь ядерно-электрических, солнечных парусов или солнечно-электрических, необходимы огромные площади радиаторов, парусов или солнечных элементов. Это в значительной степени определяет их форму. (огромный, но плоский, с длинной фермой-сегментом посередине)

Различные части космического корабля имеют разные требования, поэтому вы можете использовать для них разные формы вместо универсального компромисса. Опять же, «Союз» — отличный пример геометрии, использующей сферу для орбитального модуля, аэродинамически тупую форму корпуса для возвращаемой капсулы и цилиндр для модуля оборудования.

Ландерс

Одним из главных приоритетов для посадочного модуля является наличие большой базы, чтобы предотвратить его опрокидывание при посадке на поверхность. Несмотря на первоначальные исследования беспилотных зондов на орбите, например, Луны, вы никогда не можете быть полностью уверены в полезности конкретной посадочной площадки. Например, «Аполлон-11» изменил целевую посадочную площадку в полете. Поэтому посадочные модули обычно очень широкие, поэтому они не падают. Ступень спуска часто имеет форму многоугольной призмы, симметрия которой зависит от количества посадочных опор. (три для минимальной конфигурации, четыре для большей стабильности или пять и более для резервирования и дополнительной стабильности).

Ступень спуска лунного модуля «Аполлон» имела восьмиугольную форму, соответствующую его четырехкратной симметрии:

Достаточно большой пончик или цилиндр позволил бы создать искусственную гравитацию за счет вращения. Диаметр должен быть не менее нескольких сотен метров.

современные технологии производства и проектирования

отсутствие ограничений на подъем материалов/компонентов в космос

Я должен ясно дать понять, что меня не интересует космический корабль, который должен приближаться к какой-либо атмосфере, поэтому не нужно принимать во внимание аэродинамику».

Предполагая эти параметры, подъем чего-либо на низкую околоземную орбиту требует, чтобы это что-то конструктивно выдерживало примерно 2-3g во время запуска. Таким образом, нет никакой логики в том, чтобы строить один прочный космический корабль на земле, способный пережить запуск, а затем нести мертвый структурный вес до конца своей жизни.

Вместо этого сначала запустите сырье и одно огромное здание или типографию на НОО, затем произведите там космический корабль и постройте его с самым легким (или с лучшим соотношением массы топлива и массы конструкции) из возможных с учетом ограничений или ускорений, с которыми он столкнется.

Поскольку с Земли нет ограничений по стартовой массе, одной из лучших миссий для достижения может быть отправка людей к одной соседней звездной системе с использованием двигательной установки проекта Орион на очень-очень огромном космическом корабле, настроенном на постоянное ускорение 1g вдоль вектора тяги. Следовательно, этот космический корабль будет построен на НОО, чтобы он мог выдержать не более 1 g (+запас прочности).

Наилучшей формой для максимального соотношения объема и поверхности является сфера (как упоминалось в предыдущем ответе), поэтому форма этой массивной штуки может быть вытянутым сфероидом, выровненным по ускорению 1 g, или одним яйцевидным космическим кораблем с ядерной бомбой для человеческой колонии -

Существует не только один - или оптимум чрезвычайно зависит от контекста.

Неатмосферные беспилотные космические корабли имеют довольно неограниченное пространство для проектирования. Пилотируемые космические корабли немного более ограничены из-за необходимости в сосуде высокого давления, но только умеренно, поскольку сосуд высокого давления составляет только часть космического корабля.

Между тем, поскольку большинство ракет имеют обтекатели с разумным внутренним объемом, они уже не сильно ограничивают форму космического корабля (хотя они очень часто складывают солнечные панели и тому подобное, чтобы поместиться внутри).

В основном оказывается, что оптимальная форма для многих космических кораблей — это компоненты космического корабля, расположенные в определенном порядке, основанном на индивидуальных потребностях каждого компонента, скрепленные вместе с помощью распорок или содержащиеся в коробках.

Это может зависеть от силовой установки.

Корабли со спин-гравитацией обсуждались ранее, поэтому я хочу сосредоточиться на конструкции корабля, которую я почти никогда не видел в научной фантастике. Это конус, тупой конец вперед.

Эта конструкция лучше всего подходит для межпланетных полетов с экипажем, когда двигатель рассчитан на большую часть времени работы, чтобы обеспечить некоторую гравитацию, возможно, с короткой фазой движения посередине. Большинство научно-фантастических шоу создают длинные тонкие корабли с двигателем сзади, но при ускорении это похоже на жизнь в высоком тонком небоскребе с двигателем внизу. Экипаж будет постоянно подниматься и опускаться.

Гораздо лучший и более ленивый дизайн — растянуть корабль как можно шире, чтобы все было размещено на одном уровне пола. Экипажу не нужно постоянно подниматься по лестницам и лестницам, а также не нужно оборудовать и обслуживать лифты.

Расположение двигателя сразу за широким диском неустойчиво, поэтому желательно поставить двигатель как можно дальше назад. Я представляю форму перевернутого конуса с герметичной секцией в самой широкой, верхней части и топливом и припасами под ней, сужающейся к острию конуса, где находится двигатель. Это позволяет карданному двигателю более эффективно изменять и стабилизировать положение корабля.

Я думаю, что космические корабли в далеком будущем будут аналогом биологии. Они будут постоянно пересобираться и реорганизовываться, чтобы восстанавливать повреждения от радиации и распада и приспосабливаться к изменяющимся условиям или желаниям. Или просто потому, что одна полученная структура показывает, что другая структура более привлекательна для достижения эволюционным путем открытия.

Жизнь на «космическом корабле Земля» сделала это спонтанно. Фундаментальная логика физики, геометрии и экономики накладывает некоторые ограничения, но формы жизни по-прежнему варьируются от крошечных архейских бактерий до огромных рептилий и млекопитающих и распределенных колоний муравьев и пчел в качестве генетической единицы. Мудрость этой эволюции длиной в миллиарды лет кажется трудно превзойти. Отсутствие гравитации и отсутствие взаимодействия с атмосферой/гидросферой снимает важные ограничения на форму.

Привязи могут быть очень полезными. Микробиология, кажется, полна микроскопических «волосков», которые управляют транспортом и коммуникациями. В условиях микрогравитации тросы полезны для имитации гравитации за счет вращения и, возможно, для запуска или захвата небольших космических кораблей.