Общие характеристики "самолета" для газовых планетных атмосфер?

Вот отличное место для начала: межпланетная Cessna - XKCD Что, если?

Как человек на Земле, у вас есть большое преимущество в определении того, что вам нужно, поскольку в Солнечной системе есть 4 собственных газовых гиганта, каждый из которых достаточно хорошо изучен и посещается многочисленными зондами. Вопрос Рэндалла Манро «Что, если» касался использования обычного земного самолета Cessna 172 (одного из самых распространенных в Северной Америке), который для большинства газовых гигантов оказывается примером того, чего делать не следует.

Давайте смоделируем ваш собственный газовый гигант по образцу Юпитера; он не так дружелюбен к авиапутешествиям, как Сатурн, но это первый газовый гигант, о котором подумает случайный читатель, и большинство известных нам планет являются газовыми гигантами-суперюпитерами, даже большими, чем Юпитер. Проблемы, с которыми вы столкнетесь, будут становиться больше, чем планета, потому что гравитация планеты ограничивает толщину реальной газовой атмосферы. Ваш пригодный для жизни диапазон земных атмосферных давлений окажется примерно на той же высоте над переходом в жидкий слой, в то время как гравитация этого все большего шара жидкого водорода под вами сделает его намного труднее оставаться на плаву, чем размер планеты увеличивается. Если вы сможете решить проблемы Юпитера, будет намного легче решить проблемы меньшего гиганта, такого как Сатурн, и вы

Вот краткий список вещей, которые понадобятся вашему юпитерианскому самолету:

• Окислитель, куда обычно идет топливо. Большинство газовых гигантов в основном состоят из водорода; относительно мало чего-то другого, кромеводорода в любом месте, чтобы создать планету такого размера (хотя мы обнаружили «мегаземли», в основном твердые планеты, во много раз превышающие массу Земли, на сегодняшний день суперджовиане гораздо более распространены среди каталогизированных экзопланет). Это означает, что ваш самолет летает на собственном топливе, в отличие от земного самолета, который летает на своем собственном окислителе. Ваши двигатели, если они «дышат воздухом», на самом деле будут всасывать водородную атмосферу, объединять ее с кислородом из своих внутренних резервуаров для хранения и воспламенять эту смесь для создания тяги из нагретого газа. Это своего рода отсталый способ думать об этом, но пока вы делаете правильные смеси, он работает точно так же (за исключением того факта, что в основном из соображений безопасности, а также из некоторых практических соображений современные авиалайнеры не работают на водород).

• Большие крылья и большая тяга. При атмосферном давлении, сравнимом с атмосферой Земли, гравитация Юпитера примерно в два с половиной раза больше, чем на Земле. Поднимитесь выше, чтобы уменьшить относительную гравитацию, и у вас будет меньше газа, протекающего через ваши крылья для создания подъемной силы и через ваши двигатели для создания тяги (и вы не приблизитесь к земной гравитации, находясь в чем-то, что вы бы назвали атмосферой Юпитера). . Итак, вам нужен самолет с отношением подъемной силы к массе и тяги к массе примерно в 2,5 раза больше, чем у самолета, предназначенного для Земли, потому что тот же самый самолет с той же массой будет весить в 2,5 раза больше в атмосфере Юпитера, и поэтому подъемная сила и тяга к весу будут уменьшены на тот же коэффициент.

  Нам довольно регулярно приходится сталкиваться с такой математикой при проектировании земных самолетов. Внутренний объем пассажирского самолета является грубым аналогом максимальной взлетной массы самолета из-за сочетания правил, физики и старого доброго здравого смысла в таких вещах, как минимальное воздушное пространство на одного пассажира, которое заставляет их возвращаться для другого полета в вашей сардине. банки. Чем тяжелее самолет, тем больше должны быть его крылья, однако крылья не масштабируются так же, как фюзеляжи; если поперечное сечение крыла становится слишком толстым, вы в конечном итоге слишком сильно увеличиваете сопротивление передней кромки, поэтому наиболее эффективные аэродинамические поверхности для больших самолетов остаются относительно тонкими по мере увеличения размаха крыла и длины хорды. Это означает, что суперджамбо, такие как B747 и A380, имеют гораздо большую площадь крыла в соотношении с их «площадью» фюзеляжа по сравнению с меньшей «площадью».

  Ваш юпитерианский самолет при том же объеме будет весить в 2,5 раза больше, чем земной. Мы можем компенсировать это в атмосфере Земли, просто увеличив массу в 2,5 раза для того же объема самолета. Как оказалось, Боинг 737-800 и Боинг 767-300ER имеют почти точно необходимое соотношение по максимальному взлетному весу. Итак, теоретически, если вы возьмете крылья и двигатели 767-го и поместите их на 737-й, у вас будет необходимая подъемная сила, необходимая для полета этого 737-го на Юпитер. Это увеличит размах крыла примерно на две трети (с 93 футов до 156 футов) и увеличит площадь крыла примерно втрое (от 979,9 футов ^ 2 до 3050 футов ^ 2). Вы также превзойдете любую возможность того, что двигатели будут подвешены к крыльям (двигатель вверх для серии -300 уже требует некруглой «сумки для хомяка»

• Полностью герметичный салон, по крайней мере, для дышащих кислородом обитателей.Атмосфера Юпитера снова состоит в основном из водорода, и вам действительно не нужно ничего из этого в пригодных для жизни пространствах самолета. Водород имеет один из самых широких диапазонов воспламеняемости среди всех горючих газов; при концентрациях от 5% до 95% в воздушной смеси, которая в противном случае пропорциональна Земле, вы получите воспламенение, и во всем, кроме абсолютных пределов этого диапазона, оно взорвется весьма эффектно, со стехиометрическим соотношением водорода в воздухе. составляет около 9,5%. Таким образом, хотя вашему самолету на самом деле не нужно поддерживать такой большой перепад давления, чтобы летать в атмосфере Юпитера (хотя вы получите аналогичное преимущество в снижении лобового сопротивления, летая выше, чем давление на уровне моря на Земле, и вам, вероятно, понадобится какой-то номинального давления в случае, если самолет по какой-либо причине снизился глубже), пассажирский салон должен бытьполностью герметичен.

  Проблема в том, что авиалайнеры не являются и никогда не были герметичными; они циркулируют в кабину наружный воздух с начальных ступеней сжатия своего двигателя, охлаждаемый теплообменниками, для поддержания давления на уровне моря в кабине. Даже при цене в четверть миллиарда долларов за штуку слишком дорого для производителя поставлять полностью герметичный самолет, и слишком дорого для авиакомпании поддерживать его таким, не говоря уже о том, что замена воздуха в салоне — это слишком дорого. самый простой способ смягчить неприятные запахи (например, пассажира тремя рядами выше, который действительнонадо было принять душ перед посадкой в ​​самолет). Положительное давление в кабине, довольно легкое для большинства этапов полета, гарантирует, что любая водородно-кислородная смесь из-за утечки произойдет за пределами самолета, но этот кислород необходимо будет заменить, что является отдельной проблемой.

• Полный ППП со спутниковой навигацией. Мы мимоходом видим город, построенный над газовым гигантом, похожий на Беспин из «Звездных войн»; возвышающийся мегаполис удобно расположился в верхних слоях облаков планеты, из которых он извлекает полезный материал.

  На самом деле, при земном давлении то, что вы получите, выглядит не столько как Беспин, сколько как Пекин, когда Олимпиада не в городе:

  В полете есть два основных набора правил полета. Правила визуального полета или ПВП предназначены для тех случаев, когда вы можете видеть, куда идете. Правила полетов по приборам или IFR предназначены для тех случаев, когда вы не можете. Атмосфера Юпитера при давлении, близком к земному, определенно будет последней, что потребует от пилотов полагаться в первую очередь на инструменты для навигации. Это само по себе не такая большая проблема, как кажется; Пилоты авиакомпаний почти все время летают по ППП из соображений безопасности и практичности. Проблемы сосредоточены вокруг самого основного различия между Землей и Юпитером; ничто не привязано к земле, потому что любая «земля», о которой можно говорить, находится на десятки тысяч миль глубже и на тысячи градусов горячее, чем кто-либо или что-либо может выжить.

  У Юпитера есть магнитосфера; на самом деле довольно сильный, примерно в десять раз больше напряженности поля и в 18000 раз больше магнитного момента, поэтому самая большая проблема, с которой вы столкнетесь с традиционным компасом, — это иметь дело с сильным магнитным наклоном (магнит будет ориентироваться вдоль линий магнитного поля). , которые не перпендикулярны гравитации и не параллельны «поверхности», по которой вы летите). Заполненный жидкостью сферический компас должен быть немного больше обычного, чтобы линии азимута оставались точными и читаемыми на более высоких широтах сферы, когда компас падает, или вы можете просто отказаться от магнита и использовать твердотельные магнитометры, которые то, что используют современные авиалайнеры (потому что данные могут быть легко загружены на цифровые дисплеи полета и компьютеризированные полетные директора / автопилоты).

  Более серьезная проблема заключается в том, что, в отличие от любого элемента рельефа на Земле, который мог бы перемещаться только относительно очень удаленных объектов на других пластинах, да и то со скоростью всего несколько дюймов в год, город, плавающий в атмосфере Юпитера, будет перемещаться. могут быть унесены зональными струями со средней скоростью около 60 миль в час и поражены настоящими штормами, которые превышают даже расширенную шкалу Фудзиты для торнадо со скоростью ветра более 350 миль в час. Эти зональные реактивные самолеты движутся в противоположных направлениях, так что более чем один город на более чем одной широте (что у вас было бы, иначе зачем летать) означало бы, что планы полетов между двумя городами будут больше похожи на орбитальные траектории, чем на наземные планы путешествий. Ваш расчетный курс из одного города в другой заставит вас лететь по траектории, которая компенсирует не только расстояние, которое город назначения пройдет вдоль своего собственного зонального потока за время вашего полета, но и относительную скорость ветра во всех слоях, на которых вы находитесь. По пути туда вы будете путешествовать, что будет сносить вас влево и вправо, когда вы будете двигаться на север или юг по планете. Вы должны учитывать преобладающее направление ветра и среднюю скорость на Земле, так как вы будете лететь через массу воздуха, которая сама движется относительно поверхности Земли, но триангуляция, необходимая для вашего среднего наземного плана полета, не будет иметь никакого значения. математика, чтобы рассчитать ваш курс вокруг Юпитера. который будет дуть вас влево и вправо, когда вы будете двигаться на север или юг вокруг планеты. Вы должны учитывать преобладающее направление ветра и среднюю скорость на Земле, так как вы будете лететь через массу воздуха, которая сама движется относительно поверхности Земли, но триангуляция, необходимая для вашего среднего наземного плана полета, не будет иметь никакого значения. математика, чтобы рассчитать ваш курс вокруг Юпитера. который будет дуть вас влево и вправо, когда вы будете двигаться на север или юг вокруг планеты. Вы должны учитывать преобладающее направление ветра и среднюю скорость на Земле, так как вы будете лететь через массу воздуха, которая сама движется относительно поверхности Земли, но триангуляция, необходимая для вашего среднего наземного плана полета, не будет иметь никакого значения. математика, чтобы рассчитать ваш курс вокруг Юпитера.

  Да и погодные условия могут измениться. «Путь счисления», чисто математический инструментальный расчет курса, называется так по очень веской причине; ты прав, или ты мертв. Даже IFR на Земле требует, чтобы пилот использовал визуальные подсказки для исправления любой неточности, и большая часть частной гражданской навигации осуществляется с использованием путевых точек, основанных либо на особенностях местности, либо на навигационных маяках в точно известных местах (которые передают сигналы, которые позволяют вам точно знать ваше местоположение). пеленг от этого маяка и знание угла азимута от каждого маяка дает вам треугольную фиксацию вашего местоположения). Опять же, ничто на поверхности Юпитера не находится в фиксированном месте, поэтому не существует таких вещей, как «элемент местности» или «навигационный маяк», по которым можно было бы проводить триангуляцию.

  Требуемое решение будет похоже на систему, которая у нас была примерно с 1997 года; Глобальная система позиционирования. Созвездие спутников в очень точно рассчитанной системе орбит с очень точно синхронизированными хронометрами на борту, так что каждая точка на Земле находится в пределах прямой видимости по крайней мере 4 из этих спутников. Положение любого спутника в любой заданный момент времени после начальной эпохи системы может быть рассчитано на основе их известных стабильных орбит, и каждый спутник отправляет битовый поток с временным кодированием, который позволяет приемнику вычислить «время полета» спутника. этот сигнал, который при умножении на скорость света дает вам расстояние до этого спутника. Зная расстояние до одного спутника вместе с его текущим положением над Землей, означает, что вы находитесь где-то вдоль почти круга на идеализированной поверхности Земли (идеально гладкий сплюснутый сфероид), который вы получили бы, нарисовав земной шар карандашом такой длины, привязанным к положению спутника. Измерение с двух спутников дает вам вторую пересекающуюся окружность, которая в идеале обеспечивает максимум два возможных местоположения на поверхности Земли, в которых вы могли бы находиться, а три разных спутника в большинстве случаев дадут вам уникальное определение местоположения в пределах погрешности измерения. измерения расстояния. Четыре обычно используются в GPS, чтобы гарантировать точное определение местоположения, потому что орбитальная динамика созвездия означает, что два спутника могут находиться относительно близко друг к другу, что снижает точность. d получить, нарисовав на земном шаре карандаш такой длины, привязанный к положению спутника. Измерение с двух спутников дает вам вторую пересекающуюся окружность, которая в идеале обеспечивает максимум два возможных местоположения на поверхности Земли, в которых вы могли бы находиться, а три разных спутника в большинстве случаев дадут вам уникальное определение местоположения в пределах погрешности измерения. измерения расстояния. Четыре обычно используются в GPS, чтобы гарантировать точное определение местоположения, потому что орбитальная динамика созвездия означает, что два спутника могут находиться относительно близко друг к другу, что снижает точность. d получить, нарисовав на земном шаре карандаш такой длины, привязанный к положению спутника. Измерение с двух спутников дает вам вторую пересекающуюся окружность, которая в идеале обеспечивает максимум два возможных местоположения на поверхности Земли, в которых вы могли бы находиться, а три разных спутника в большинстве случаев дадут вам уникальное определение местоположения в пределах погрешности измерения. измерения расстояния. Четыре обычно используются в GPS, чтобы гарантировать точное определение местоположения, потому что орбитальная динамика созвездия означает, что два спутника могут находиться относительно близко друг к другу, что снижает точность. и три разных спутника в большинстве случаев дадут вам уникальное определение местоположения в пределах погрешности измерения расстояния. Четыре обычно используются в GPS, чтобы гарантировать точное определение местоположения, потому что орбитальная динамика созвездия означает, что два спутника могут находиться относительно близко друг к другу, что снижает точность. и три разных спутника в большинстве случаев дадут вам уникальное определение местоположения в пределах погрешности измерения расстояния. Четыре обычно используются в GPS, чтобы гарантировать точное определение местоположения, потому что орбитальная динамика созвездия означает, что два спутника могут находиться относительно близко друг к другу, что снижает точность.

  Навигация в атмосфере Юпитера, в которой ничто не находится в полностью фиксированном положении, потребует системы «JPS», которая давала бы аналогичные определения местоположения на основе расстояния в атмосфере Юпитера. В идеале сигналы можно было бы принимать снизу, что было бы горизонтом Земли, что позволило бы вычислять высоту на основе расчета вашего положения в трехмерном пространстве, уменьшая зависимость от барометрического высотомера (жизненно важно, но проблематично даже на Земле, так как атмосферное давление на поверхности может меняться). достаточно, чтобы иметь значение менее чем за час). Если вы собираетесь добраться из одного города в другой и не совсем уверены в скорости ветра в зональных струях между двумя городами, это единственный способ подобраться достаточно близко.

• Постоянная подача кислорода и инертного газа. Когда мы говорим о дыхании кислородом в водородной атмосфере, все становится намного сложнее. Перепад давления даже не является большим преимуществом, потому что у вас все еще не может быть никаких утечек; любая небольшая разница давлений внутри и снаружи приведет к утечке одного газа в другой, и, как я уже говорил, газообразный водород в кислородной среде имеет смехотворно широкий диапазон воспламеняющихся концентраций, который становится шире только тогда, когда вы обогащаете атмосферу более высоким парциальным содержанием газа. давление кислорода.

  Это первая проблема; Аполлон, космический шаттл и даже ранние космические станции, такие как Скайлэбс и Мир, жили в богатой кислородом атмосфере низкого давления. Это снижает требуемое давление космического корабля, а также уменьшает количество резервуаров с газом, которые необходимо обрабатывать для поддержания надлежащей атмосферы. МКС, предназначенная для более длительного пребывания (и с более частыми беспилотными запусками пополнения запасов), включает азот в смесь, что снижает воспламеняемость в окружающей среде, повышает безопасность, а также снижает старение тканей человека в средах с высоким содержанием кислорода. антиоксиданты» являются важными витаминами по очень веской причине: хотя мы потребляем кислород, он также вызывает повреждение клеток и старение, и эти эффекты усиливаются с концентрацией). Либо азот, либо аргон (абсолютно инертный газ) были бы гораздо более необходимы, когда внешняя среда не вакуум, а вместо этого готовый запас энергии. Воздушные шлюзы не могут просто создавать давление атмосферной смесью, они должны сначала полностью очистить водород, прежде чем добавлять кислород, иначе вы создадите топливно-воздушную бомбу в своем воздушном шлюзе, когда вы насыщаете его кислородом. Это означает, что азот является «расходным материалом»; вы запускаете его в свои шлюзы в качестве промежуточного шага между введением кислорода или водорода в эту камеру, так что эти два газа никогда не находятся в достаточном парциальном давлении, чтобы стать опасными для пожара. Это почти наверняка потребует выброса довольно большого количества азота во внешнюю атмосферу, просто чтобы убедиться, что у вас есть Воздушные шлюзы не могут просто создавать давление атмосферной смесью, они должны сначала полностью очистить водород, прежде чем добавлять кислород, иначе вы создадите топливно-воздушную бомбу в своем воздушном шлюзе, когда вы насыщаете его кислородом. Это означает, что азот является «расходным материалом»; вы запускаете его в свои шлюзы в качестве промежуточного шага между введением кислорода или водорода в эту камеру, так что эти два газа никогда не находятся в достаточном парциальном давлении, чтобы стать опасными для пожара. Это почти наверняка потребует выброса довольно большого количества азота во внешнюю атмосферу, просто чтобы убедиться, что у вас есть Воздушные шлюзы не могут просто создавать давление атмосферной смесью, они должны сначала полностью очистить водород, прежде чем добавлять кислород, иначе вы создадите топливно-воздушную бомбу в своем воздушном шлюзе, когда вы насыщаете его кислородом. Это означает, что азот является «расходным материалом»; вы запускаете его в свои шлюзы в качестве промежуточного шага между введением кислорода или водорода в эту камеру, так что эти два газа никогда не находятся в достаточном парциальном давлении, чтобы стать опасными для пожара. Это почти наверняка потребует выброса довольно большого количества азота во внешнюю атмосферу, просто чтобы убедиться, что у вас есть вы запускаете его в свои шлюзы в качестве промежуточного шага между введением кислорода или водорода в эту камеру, так что эти два газа никогда не находятся в достаточном парциальном давлении, чтобы стать опасными для пожара. Это почти наверняка потребует выброса довольно большого количества азота во внешнюю атмосферу, просто чтобы убедиться, что у вас есть вы запускаете его в свои шлюзы в качестве промежуточного шага между введением кислорода или водорода в эту камеру, так что эти два газа никогда не находятся в достаточном парциальном давлении, чтобы стать опасными для пожара. Это почти наверняка потребует выброса довольно большого количества азота во внешнюю атмосферу, просто чтобы убедиться, что у вас естьвесь водород вышел.

  В целом, слегка положительное давление воздуха в насыщенных кислородом местах обитания предпочтительнее, потому что тогда любые утечки, по крайней мере, приводят к утечке кислорода в окружающий воздух, где потоки ветра относительно быстро рассеивают его до безвредных концентраций. Но это создает проблему; что утечка кислорода ушла навсегда. Вы не можете вернуть его из атмосферы Юпитера. И, если на то пошло, вы не можете восстановить азот. Как только он попадает в атмосферу Юпитера, его необходимо заменить из какого-то другого источника.

  Почему так, спросите вы? Ну, потому что эти газы более плотные. При одном и том же давлении и кислород, и азот весят намного больше, чем водород, поэтому наполненный им воздушный шар парит в воздухе Земли. В водородной атмосфере Юпитера происходит обратное; любой кислород, попадающий в атмосферу Юпитера, будет тонуть в недрах планеты, пока не станет достаточно горячим, чтобы сжигание с образованием водяного пара (или, для азота, гидрогенизация с образованием аммиака) не стало благоприятным. Эта вода еще более плотная и будет продолжать погружаться во все более плотные сверхкритические жидкие океаны высокого давления, в основном водородные, на «поверхности» Юпитера, гораздо глубже, чем любой человек или машина могут надеяться. Даже если бы мы могли проникнуть в более глубокие слои, лучшее, на что мы можем надеяться, — это аммиак (NH3), который, как предполагается, содержится в некотором изобилии в промежуточных слоях атмосферы Юпитера. Мы можем довольно легко дегидрировать аммиак, сжигая его в кислороде (этот процесснамного проще, чем производить аммиак на Земле; процесс Габера требует температур и давлений, мало чем отличающихся от того, что вы найдете на несколько миль ниже земного давления на Юпитере), возвращая нам некоторое количество газообразного азота (мы можем восстановить кислород из воды с помощью электролиза или высокотемпературного крекинга, но ни то, ни другое эффективный процесс).

  Любой выброс кислорода в атмосферу Юпитера, скорее всего, будет пустой тратой времени; полученная вода будет более плотной при любом внешнем давлении, чем что-либо еще вокруг нее, пока сверхкритический пар не достигнет твердого ядра планеты, состоящего из всего, что Юпитер собирал пылесосом за эоны. И вы находитесь в 630 миллионах миль от ближайшей пригодной для дыхания естественной атмосферы в Солнечной системе, в самом ближайшем; когда Земля и Юпитер находятся на противоположных сторонах Солнца, вы находитесь в паре миллиардов миль от всего, чем можно дышать.

  Есть хорошие новости; Спутник Юпитера Европа представляет собой ледяной шар, полностью покрытый водяным льдом (весьма вероятно, что под ним находится океан жидкой воды), и это вторая ближайшая к Юпитеру крупная луна на орбите, так что это относительный скачок-скачок-прыжок из верхней части атмосферы Юпитера по сравнению с любым другим местом. Если мы говорим о колонизации, было бы намного проще отправить корабли, чтобы собрать и вернуть немного воды с Европы, которую затем можно пить, использовать в гидропонике, электролизе до кислорода, чем угодно, что используют юпитерианские колонии. есть за это. У Европы также есть тонкая кислородная атмосфера, вызванная радиолизом молекул воды на поверхности льда под воздействием солнечного излучения и заряженных частиц из магнитосферы Юпитера.

Я собираюсь рассмотреть здесь гигантов теплого газа, богатых водородом и гелием, таких как Юпитер и Сатурн. В более холодных ледяных гигантских мирах все по-другому, поэтому я оставлю их на другой день. Я буду использовать «газ» вместо «воздух» для обозначения планетарных атмосфер и, следовательно, «газолет» вместо «самолет» и т. д.

Самая большая проблема, с которой вы столкнетесь с богатыми водородом газовыми гигантами, — это плотность атмосферы. Даже когда атмосферное давление соответствует земному уровню моря, плотность будет составлять часть плотности нашей атмосферы (очевидно, именно поэтому на Земле всплывают водородные шары). Подъемная сила пропорциональна плотности , а это означает, что крылья для использования в атмосфере газового гиганта должны быть довольно большими... примерно в 10 раз больше, чтобы генерировать такую ​​же подъемную силу, как крыло на Земле. .

Это будет только усугубляться, если вы хотите жить в огромном мире, таком как Юпитер, где гравитация уже более чем в два раза сильнее на высоте, где вы найдете земное давление, поэтому вам понадобятся крылья, которые больше, чем в двадцать раз больше!

С другой стороны, сопротивление пропорционально плотности . Сопротивление также пропорционально квадрату скорости, поэтому вы можете двигаться со скоростью в 3,5-4 раза больше, чем в атмосфере Земли, при том же усилии. Подъемная сила также пропорциональна квадрату скорости, что означает, что для высокоскоростных самолетов вы можете компенсировать меньшую подъемную силу, обеспечиваемую разреженной атмосферой. Скорость звука в водороде также примерно в 4 раза выше, так что вы можете двигаться намного быстрее, оставаясь при этом дозвуковым.

Итак, главное сообщение: никаких низкоскоростных газовых летательных аппаратов, использующих крылья для подъемной силы . Высокоскоростной газовый корабль может больше походить на низкоскоростной самолет на Земле. Поскольку крылатый газовый корабль, скорее всего, будет двигаться очень быстро , вам не нужно, чтобы они подходили слишком близко к местам обитания и другим объектам из соображений безопасности. Поэтому их базы (гаспорты? газовые базы?) будут хорошо разделены.

Если вы никуда не торопитесь, используйте судно легче атмосферы, используя те же устройства плавучести, которые используются в вашей среде обитания. Помните еще раз, что водородная атмосфера с низкой плотностью означает низкое сопротивление, поэтому ваши дирижабли могут двигаться намного быстрее, чем на Земле. Спасательные средства, спасательные капсулы и эквиваленты парашютов также должны быть воздушными шарами, чтобы либо остановить спуск, либо задержать его на достаточно долгое время, чтобы повлиять на спасение!

Я не собираюсь пытаться решить проблемы, с которыми могут столкнуться вертолеты. Возможно, в другой раз. Если ваши термоядерные реакторы имеют достаточно хорошее отношение мощности к массе, можно будет создавать транспортные средства или платформы, которые могут зависать и оставаться на месте в течение продолжительных периодов времени, используя ориентируемые или направленные вниз струи или вентиляторы. Это может быть способ позволить вашему сверхскоростному крылатому самолету безопасно приближаться к жилью на низких скоростях, не нуждаясь в плавучести.

Вы предложили металлический водород в качестве полезного монотоплива, подразумевая, что в вашей вселенной он определенно метастабилен при разумных температурах и давлениях. Однако . Есть несколько проблем с веществом, указанным в Project Rho . Один из них заключается в том, что температура ракетного двигателя, использующего этот материал, очень высока (например, двигатель испаряется), и даже если вы используете водород в качестве охлаждающей жидкости, вы все равно снизите свой Isp до простой тысячи секунд или около того. Неплохо по сравнению с простыми химическими ракетами, но недостаточно, чтобы легко доставить вас в космос в таком глубоком гравитационном колодце.

Во-вторых, вся эта метастабильность. Он содержит примерно в 50 раз больше энергии, чем тротил, на единицу массы, и вам, вероятно, не нужно прилагать к нему много усилий , чтобы он испарился. Все, что заправлено металлическим водородом, должно считаться бомбой (или ракетой), пока не доказано обратное, и должно использоваться и парковаться на очень безопасном расстоянии от большинства жилых и промышленных объектов. Может быть даже небезопасно использовать его слишком близко к ядерным реакторам, если есть шанс, что блуждающий быстрый нейтрон или гамма-луч подходящей энергии могут толкнуть небольшую каплю вещества через энергетический барьер и привести к взрывному разложению.

Еще одно важное замечание: металлический водород чрезвычайно опасен, и никто не захочет, чтобы его использовали где-либо рядом .

Что касается космических возможностей, это сложный вопрос, который сильно зависит от того, насколько массивен ваш газовый гигант. Но, TL;DR: металлический водород не доставит вас на орбиту, даже до того, как вы разбавите его, чтобы остановить плавление ваших ракет.

Первое, что нужно помнить, это то, что газовые гиганты большие , и чтобы добраться до эквивалента низкой околоземной орбиты, где вы будете хотя бы временно стабильны, вам придется взлететь довольно высоко, а это означает, что вам нужно много энергии. Чтобы поднять объект с поверхности Земли на высоту 250 км, вам необходимо обеспечить не менее 2,4 МДж/кг (примечание: сюда не входит энергия, необходимая для достижения орбитальной скорости!). Вам нужно в 10 раз больше, чтобы достичь 1000 км над уровнем в 1 деление на Юпитере, и вы можете даже не находиться достаточно далеко над атмосферой, чтобы иметь возможность поддерживать свою высоту так же долго, как на высоте 250 км на Земле.

Орбитальная скорость на высоте 1000 км над Юпитером составляет ~ 41 км/с. На высоте 1000 км над Сатурном ~ 25 км/с. Вам понадобится огромная дельта-V, помимо крутого гравитационного колодца, из которого вы пытаетесь выбраться, а в случае с Юпитером вам понадобятся ракеты, которые могут обеспечить более чем вдвое большую тягу. их земных эквивалентов, в то же время, поднимая все это. Это довольно сложная задача, и, возможно, вам потребуются очень мощные ядерные ракеты, чтобы вытащить вас оттуда. Здесь стоит рассмотреть двигатель Orion .

Конечно, вам не нужно выходить на орбиту; как вы указали, выход за пределы атмосферы кажется хорошим способом преодолеть большие расстояния за разумное время, если это кажется важным. Планирующие аппараты, вероятно, то, что вам нужно там... длинные, низкие суборбитальные траектории, которые проскальзывают над верхними слоями атмосферы. Аэродинамика и конструкция таких транспортных средств будут сильно отличаться от упомянутых выше крупнокрылых быстрых газовых аппаратов или плавучих медленных газовых аппаратов, и попытка объединить несколько режимов работы, вероятно, просто требует неэффективности. Не идите на компромисс; специализироваться. Окружающая среда и без того дурацкая конструкция и ненужные дополнительные двигатели и системы управления, делающие полет еще более неудобным!

Что касается химического топлива (и, конечно же, некоторых или нескольких элементов, которые вам понадобятся для поддержания работы вашей среды обитания), вам придется либо а) доставлять его из других мест (например, с лун Юпитера), либо б) собирать его из глубже в атмосферу газового гиганта. Юпитер, по крайней мере, имеет палубы аммиака и водяных облаков, которые должны быть отличными источниками азота и кислорода. Вам нужно опуститься, может быть, на 100 км ниже высоты в 1 бар, и давление поднимется в десять раз, а температура вырастет как минимум вдвое (что неудобно для плавучих машин), но это выполнимо. У других газовых гигантов также могут быть полезные вещи, такие как метановые облака, в качестве источников углерода.

( Атмосфера Юпитера )

Я бы предпочел максимально использовать термоядерный синтез, поскольку химический сбор может быть менее удобным, чем переработка дейтерия и гелия-3 на больших высотах. Плотность энергии химического топлива намного ниже, и, вероятно, с материалами можно сделать больше полезных вещей, чем поджечь их.

Ядерные ПВРД смогут двигаться довольно быстро в водородной атмосфере, и поэтому могут быть полезны для путешествий на средние расстояния, если вам действительно нужна такая штука. Ядерные реактивные двигатели могут быть просто лучшей альтернативой, потому что газовые гиганты большие и интересные вещи будут либо близко (потому что там вы их строите), либо далеко (по какой-либо причине), и поэтому может не быть необходимости в золотой середине между ракеты-планы, ГПВРД и турбины. Впрочем, решать вам.

И как некоторые ответы на отличный ответ KeithS :

• Инертный газ, конечно, легко доступен в виде гелия. В ваших местах обитания и транспортных средствах может быть некоторый пробег, имеющий внешний прочный корпус из гелия при немного более высоком как внутреннем, так и внешнем давлении. Это облегчает удержание трудно заменяемых атмосферных газов, таких как кислород и азот (и даже углекислый газ!), внутри, потому что они не могут просто просочиться в буфер с более высоким давлением. В аварийной ситуации гелий можно сбросить, если он начнет просачиваться в жилые районы, уравняв давление, пока утечки и скрубберы будут устранены. Его достаточно легко заменить.
• Создание и обслуживание сети спутников JPS — отличная идея, но из соображений безопасности вы могли бы подумать и о системах атмосферного позиционирования, потому что, если TSHTF, будет очень и очень сложно взлететь на орбиту, чтобы заменить или отремонтировать инфраструктуру. Возможно, было бы даже проще проделать некоторые из этих вещей на Юпитере, потому что линия прямой видимости очень длинная ... меньше необходимости в умных низкочастотных вещах за горизонтом, таких как LORAN .когда вполне возможно использовать маркерные маяки на основе ОВЧ, приводимые в действие термоядерными реакторами большой мощности и с большим радиусом действия. В конце концов, газовые гиганты, скорее всего, будут малонаселенными, и, хотя мобильные маяки не помогают в глобальной навигации, большая часть навигации, вероятно, в любом случае будет локальной, и суборбитальный прыжок может указать приблизительное направление облака маркерных маяков другого места обитания и нацелиться на него. может уточняться по мере приобретения исправления.