Минимальная масса спутника, подобного Земле, чтобы серьезно сдерживать космические путешествия?

Небольшого увеличения гравитации на поверхности может быть достаточно... насколько сильное увеличение зависит от технического уровня, с которым вы готовы работать.

Проблемы, которые вызывает повышенная гравитация, двояки.

Во-первых, орбитальные скорости. Скорость тела по круговой орбите вокруг планеты равна$v \approx \sqrt{GM \over r}$(где$G$гравитационная постоянная,$M$это масса планеты и$r$радиус орбиты, измеренный от самого центра планеты), из которого вы можете увидеть, что на высоте 200 км над Землей ваша орбитальная скорость будет около 7,78 км/с. Предполагая, что ваша суперземля 1,5G имеет такую ​​же среднюю плотность, как и Земля, орбитальные скорости для той же эквивалентной высоты будут масштабироваться примерно в 1,5 раза.

Любая ракета, запускаемая из вашего мира, должна будет разогнаться до скорости 11,68 км/с. Большинство задач в ракетостроении сводятся к уравнению ракеты , которое можно записать в виде$\Delta_v = v_e \ln{\left( m_0 \over m_f \right)}$где$\Delta_v$- максимальное изменение скорости ракеты,$v_e$скорость его истечения,$m_0$- его начальная масса при полной заправке и$m_f$- его конечная масса, когда все баки высохнут.

Учитывая ту же ракетную технологию, что и Земля,$v_e$будет таким же на Суперземле, но увеличится$\Delta_v$на 50% нужно увеличить относительную массу ракеты на ~1,65. Это означает, что без увеличения веса какого-либо другого компонента ракета должна нести на Суперземле на 65% больше топлива, чем на Земле. Это само по себе большая инженерная проблема... вы можете добавить к своей ракете дополнительные ступени, но это будет неуклюжая инженерия, и количество ракеты, необходимое для запуска крошечного объекта в космос, будет огромным, как и затраты.

Нижним ступеням ракеты потребуется на 65% больше тяги, чтобы поддерживать тот же уровень ускорения, что и у теперь гораздо более тяжелой ракеты... и, кроме того, ей потребуется дополнительно на 50% больше тяги, чем той же ракете. на Земле просто для преодоления большей силы гравитации!

Ракетная тяга определяется как$F = \dot{m} v_e$, где$\dot{m}$это масса топлива, которое вы прогоняете через двигатель в секунду, и$v_e$это скорость выхлопа. Если вы держите то же самое$v_e$(например, вы используете ту же технологию химических ракет, что и мы на Земле) вы должны увеличить$\dot{m}$. Вы можете сделать это, добавив больше ракетных двигателей (дорого, сложно, больше вещей, которые могут пойти не так) или более крупные ракетные двигатели (более дорогие, по-другому сложные). Вы также столкнулись с проблемой, что вам нужно сжигать топливо намного быстрее, чтобы питать эти новые двигатели, и поэтому, чтобы не исчерпать топливо, вам нужно нести гораздо больше его, для чего нужна большая ракета с большими двигателями. чтобы поднять его... вы можете видеть, куда все это идет.

Химическая ракетная техника тут не поможет. Вам нужно что-то, что имеет гораздо большую скорость выхлопа$v_e$, а значит нужны ядерные ракеты.

Увеличение скорости истечения на 50% с помощью ядерной энергии кажется вполне возможным ... даже самая простая конструкция, ядерная тепловая ракета (которая была испытана в реальной жизни, но никогда не летала) может справиться с этим. Иметь достаточно высокое отношение тяги к весу, чтобы оторваться от земли, немного сложнее, но все же возможно. В пределе вы всегда можете достичь Project Orion . Такое судно могло бы даже быть в состоянии взлететь с поверхности мира 2G, хотя количество ядерных боеголовок, которое ему нужно было бы нести, и количество радиоактивных осадков, которое оно произвело бы, было бы… тревожным и, безусловно, вызвало бы политические проблемы.

Я подозреваю, что ваши люди вполне могут оставаться на земле, пока не изобретут работающую лазерную систему запуска . Достаточно мощная лазерная пусковая установка, безусловно, находится за пределами наших нынешних технологических возможностей, и если ваша Суперземля имеет особенно плотную атмосферу, это будет еще более сложной задачей для ее обитателей. Хотя не обязательно невозможно!

Итак, чтобы охватить ваши конкретные наблюдения:

Более эффективное топливо слишком опасно. Более эффективное топливо редко или очень трудно добыть на этом спутнике.

Ядерное топливо не так уж опасно, но его может вообще не быть на вашем газовом гиганте-луне. Если ваша луна сформировалась достаточно далеко в своей планетной системе, на ней будет много воды, но мало металлов и, возможно, урана и тория почти не будет.

Ускорение, необходимое для достижения космической скорости, убьет любого, кто находится внутри ракеты/пусковой петли/экзотического двигательного устройства.

Возможно нет. Ускорение могло быть на удивление низким при достаточно умной системе запуска.

Сама атмосфера препятствует запуску ракет.

Плотная атмосфера в венерианском стиле была бы чем-то вроде убийцы для запусков с поверхности, но вы могли бы строить высотные воздушные шары, как предполагал Лэндис , и строить там стартовые площадки для ракет. Одного этого будет недостаточно, но в сочетании с высокой гравитацией (и действительно, более высокая гравитация, вероятно, создаст гораздо более плотную атмосферу) это, безусловно, усложнит задачу.