Questão:
Voando em planetas e luas de atmosfera densa
Zoltán Schmidt
2013-07-31 17:17:40 UTC
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Certos tipos de vôo seriam possíveis em planetas como Vênus, Titã (que é uma lua, eu sei: P) ou gigantes gasosos?

Estou pensando nos aspectos desses tipos de aeronaves: dirigíveis (que usam apenas uma enorme quantidade de ar para flutuar e voar), planadores (que usam apenas o vento para voar), aviões com hélices, helicópteros (eles usam formas semelhantes de voar) e aviões com motores a jato.

Obviamente, a maioria deles não funcionaria em um planeta sem ou com uma atmosfera muito fina como a Lua ou Mercúrio, então especifiquei a questão para aqueles planetas e luas que têm atmosfera densa e / ou espessa. Além disso, por aeronaves quero dizer apenas aqueles veículos que não são capazes de deixar a atmosfera - uma vez que aqueles que podem viajar no espaço, devem ser capazes de viajar dentro da atmosfera também. Mas vice-versa, não é verdade.

Por exemplo, planar em Júpiter (ou mesmo em Vênus) seria fortemente possível, já que a forte tempestade em sua atmosfera gera ventos fortes. Mas obviamente não pode ir para o espaço, já que não há vento para estrangulá-lo nas camadas mais altas da atmosfera.

Qual é a questão? :) Se você está confiante de que sondas mais pesadas que o ar são viáveis, talvez deva restringir isso ao que você não conhece, como planadores.
@AlanSE A questão é saber quais deles são capazes ou não de voar nos mencionados tipos de planetas e luas. Apenas uma questão teórica.
Muito boas perguntas e respostas. Eu agradeceria se alguém fornecesse uma resposta para dirigíveis e balões de hélio. Talvez eu faça uma pergunta específica sobre isso algum dia.
Pergunta sobre balões de hélio: https://space.stackexchange.com/questions/44863/how-high-could-a-helium-balloon-go-on-mars-and-on-triton
Dois respostas:
#1
+22
DanteTheEgregore
2013-07-31 19:38:16 UTC
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Na verdade, eu estava lendo um ótimo What If? artigo sobre isso encontrado aqui. O vôo em outros planetas é possível. Acho que a história em quadrinhos incluída resume-o maravilhosamente:

Some Description

Quanto a cada corpo válido em nosso sistema solar (exceto a Terra, é claro), vou parafrasear um bit:

O Sol : Tentar voar sobre o sol é mais ou menos inútil, pois qualquer embarcação próxima o suficiente para sentir que sua atmosfera seria vaporizada instantaneamente.

Marte : o artigo apresenta uma longa discussão sobre a simulação via X-Plane. O X-Plane, ao que parece, pode ser feito para simular de perto as condições encontradas em Marte. Infelizmente, como também foi descoberto, o vôo em Marte é possível, mas difícil. Para voar em Marte, você precisa ir rápido . O artigo afirma que uma velocidade de mach 1 é necessária apenas para atingir o vôo. O problema é que, uma vez que você consegue voar, a inércia torna quase impossível mudar o curso.

Vênus : Vênus é interessante. A atmosfera de Vênus é 60 vezes mais densa que a da Terra. Você poderia facilmente voar em velocidades incrivelmente baixas (um Cessna 172 Skyhawk, a aeronave em que o artigo se baseia, poderia voar em velocidade de execução). O problema é que o ar em Vênus está quente o suficiente para derreter o chumbo. Você sempre pode contornar isso voando na atmosfera superior de Vênus. A atmosfera superior é bastante semelhante à da terra e seria bastante fácil de voar em um avião. Apenas, você deve garantir que nenhum metal seja exposto, pois o ácido sulfúrico na atmosfera superior apresenta a ameaça de corrosão.

Júpiter : o voo em Júpiter não é realista. A gravidade de Júpiter é muito forte. A potência necessária para manter o vôo é cerca de 3x a da Terra, tornando o vôo lá altamente irreal.

Saturno : gravidade mais fraca e atmosfera ligeiramente mais densa do que Júpiter significa que uma aeronave pode ser melhor, mas no final das contas sucumbiria ao frio ou ventos fortes.

Urano : o voo em Urano poderia ser sustentado um pouco mais, mas no final das contas a aeronave ainda sucumbiria às condições encontradas lá.

Neptuno : O a temperatura e a turbulência impossibilitam o voo sobre Netuno. Supõe-se que sua aeronave se quebraria rapidamente na atmosfera.

Titã : Titã é talvez o melhor plano para tentar voar. Para citar o artigo:

"Quando se trata de voar, Titã pode ser melhor que a Terra. Sua atmosfera é espessa, mas sua gravidade é leve, o que lhe confere uma pressão de superfície apenas 50% maior do que a da Terra com ar quatro vezes mais denso. Sua gravidade - menor que a da Lua - significa que voar é fácil. "

O vôo no Titã É fácil. Um humano poderia teoricamente alcançar o vôo com um wingsuit e mera força muscular. O problema é que Titã está com frio, 72 Kelvin com frio. O vôo exigiria algumas modificações importantes de aquecimento, mas, excluindo o fator de calor, Titã é o melhor lugar para tentar voar em nosso sistema solar. É ainda melhor que a Terra. Como uma observação interessante, Titã, até agora, tem estado muito frio até para sondas não tripuladas explorarem. Novamente, citando o artigo:

As baterias ajudariam a se manter aquecidas por um tempo, mas, eventualmente, a nave ficaria sem calor e cairia. A sonda Huygens, que desceu com as baterias quase descarregadas (tirando fotos fascinantes enquanto caía), sucumbiu ao frio depois de apenas algumas horas na superfície. Teve tempo suficiente para enviar de volta uma única foto após o pouso - a única que temos da superfície de um corpo além de Marte.

Terra : as condições da Terra são ótimas para voar. A gravidade da Terra é 9,78 m / s². Como comparação, a gravidade de Júpiter é 24,79 m / s² e a gravidade de Titã é 1,352 m / s². A atmosfera da Terra é, ao nível do mar, 1 atmosfera padrão ou 101,3 kPa ou 14,7 psi em comparação com a média de Marte que é cerca de 0,006 atmosfera padrão ou 600 Pa ou 0,087 psi e a média de Vênus que é cerca de 9,2 mPa ou 1.330 psi. A velocidade de decolagem de nosso Cessna 172 Skyhawk é de 64 KIAS (velocidade do ar indicada por nós) e a melhor taxa de subida é de 73 KIAS. A velocidade normal de cruzeiro em um Cessna 172 Skyhawk é de 122 nós (140 mph, 226 km / h). Como comparação, o vôo em Marte exigiria velocidades acima de Mach 1, que se traduz em 768 mph ou 1.236 km / h.

Para resumir :

  • Sol : vaporização instantânea.
  • Marte : a atmosfera é muito fina para voar abaixo de mach 1, acima de mach 1, você essencialmente não consegue dirigir.
  • Baixa Atmosfera de Vênus : o vôo é possível, mas o ar é quente. Você derreteria.
  • Atmosfera superior de Vênus : o vôo é possível, mas a corrosão é um fator devido ao ácido sulfúrico, então nenhum metal exposto.
  • Júpiter : a alta gravidade torna o vôo extremamente irreal.
  • Saturno : o vôo é possível, mas sua aeronave pode sucumbir às condições frias e climáticas.
  • Urano : mesmo que Saturno, mas você PODE durar um pouco mais.
  • Netuno : sua aeronave se separaria rapidamente do extremeturbulência.
  • Titã : o vôo poderia ser alcançado com asas artificiais e mera força muscular. Infelizmente, Titã está resfriado. Para citar o artigo do XKCD:

Se os humanos colocassem asas artificiais para voar, poderíamos nos tornar versões Titãs da história de Ícaro - nossas asas poderiam congelar, quebrar, e nos envie caindo para a morte.

Icarus on Titan

  • Terra : sabemos que o voo na Terra funciona devido ao nosso conhecimento em primeira mão. Não temos as melhores condições em nosso sistema solar, mas as condições aqui ainda são ótimas para todos os tipos de aeronaves tripuladas.
  • Em qualquer outro lugar : Sem atmosfera, então você iria bater balisticamente.

Como uma pequena nota :

Titã é o melhor ambiente para voar usando uma aeronave convencional se você não levar em consideração no frio. Eu imagino que seria muito mais fácil e menos caro tentar voar na atmosfera superior de Vênus protegendo todo o metal exposto da corrosão do que fazer grandes modificações em uma aeronave convencional para que ela e seu piloto possam suportar o frio extremo encontrado em Titã .

Outra pequena nota : Mach 1 é medido em relação à terra então 340,29 m / s. A velocidade do som em Marte é diferente. A velocidade do som é de 226 m / s.

Júpiter pode não ter vôo a pressões nas quais você sobreviveria, mas o vôo é definitivamente possível. Na verdade, à medida que você perde altitude, você eventualmente flutuará em uma posição de equilíbrio, então um dirigível é uma solução viável.
@RoryAlsop Não consigo ver uma aeronave convencional resistindo às condições de Júpiter. Talvez um que esteja profundamente alterado, mas que possa existir fora do escopo desta questão, dependendo do que definimos como espaçonave e aeronave. Realmente, para o propósito da pergunta, e vou incluir isso em uma edição, a atmosfera superior de Vênus é o melhor ambiente possível para o vôo em uma aeronave padrão. Titan é ótimo, mas imagino que a sobrecarga envolvida em fazer modificações para suportar o frio é muito maior do que proteger todo o metal exposto em uma aeronave convencional existente.
Uau, isso é hilário! = D no entanto, pode ser interessante verificar o comportamento de helicópteros (mas certamente é semelhante ao Cessna Interplanetário, pois ambos usam hélices), planadores e aeronaves. Por exemplo, tenho certeza de que voar com o Zeppelin deve ser possível em Júpiter, pois a densidade do ar é muito maior. Por outro lado, a pressão do ar destruiria o próprio balão, eu acho.
@ZoltánSchmidt O único problema é que a gravidade de Júpiter é loucamente alta, mais do que o dobro da da Terra. Algo pesando 150 kg aqui pesaria 354,6 kg em Júpiter. Talvez um Zeppelin ou aeronave do tipo balão pudesse sobreviver a isso, mas as condições são menos do que ideais para aeronaves aladas e helicópteros.
Você perdeu a Terra.
@gerrit "Quanto a cada corpo válido em nosso sistema solar (exceto a Terra, é claro), vou parafrasear um pouco:" Eu pulei a Terra porque achei que não era pertinente. Posso incluí-lo se quiser. :)
@ZachSmith Com relação a Marte, você quer dizer Mach 1 em relação à velocidade do som de Marte ou da Terra?
@called2voyage Mach 1 em relação à Terra, então cerca de 1.236 km / h ou 768 mph
@ZachSmith Eu sugeriria incluir isso em sua resposta, uma vez que Mach 1 é uma medida relativa quando estamos lidando com outras condições atmosféricas.
@called2voyage Na verdade, eu adicionei graças ao seu comentário. Obrigado por apontar isso!
Ocorreu-me que Randall Munroe desenhou todas as trajetórias balísticas de maneira semelhante, mas certamente com a mesma velocidade inicial, alguém poderia chegar um pouco mais longe em alguns planetóides do que em outros.
@gerrit Não acredito que a história em quadrinhos foi feita para ser levada tão a sério, mas sim, você pode conseguir mais voos sustentados em certos planetóides. Saturno e Urano são os melhores exemplos, pois ambos são bastante semelhantes para os fins de nossa pergunta, mas o vôo sustentado ** PODE ** ser possível por uma duração mais longa em Urano (observe que o vôo prolongado é impossível, pois você perderá o controle antes de exaurir seu suprimento de combustível). Você poderia sustentar o vôo em Titã por mais tempo, já que muito pouco combustível é necessário para atingir e manter o vôo.
Na verdade, voar em Júpiter pode não ser tão irreal. A maioria dos aviões pode lidar com 3g na terra. Aviões acrobáticos ou caças a jato podem ir até 10g. Voar horizontalmente em Júpiter é como voar em um círculo horizontal infinito a + 3g na Terra. Nenhuma modificação estrutural necessária, apenas encontre a altitude correta em Júpiter, onde a pressão é equivalente à da Terra. Estamos longe de ser "extremamente irrealistas por causa da gravidade"
@ZoltánSchmidt Devemos descartar os dirigíveis em Júpiter porque sua atmosfera é principalmente de hidrogênio e hélio e, portanto, não podemos encher o dirigível com nada notavelmente mais leve. Talvez um enorme balão de hidrogênio quente pudesse funcionar, mas me parece duvidoso.
@qqjkztd: Mas eles podem lidar com + 3g _continuamente_? Ser capaz de puxar vários Gs brevemente durante uma curva está longe de ser capaz de suportar vários Gs por toda a duração de um vôo. Se nada mais, eu estaria preocupado com os sistemas de combustível sendo capazes de alimentar o (s) motor (es) durante longos períodos de vôo sustentado de + 3g.
#2
+2
airplaneguy11
2017-04-27 23:52:02 UTC
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Vênus parece ser o mais prático, não Titã (é preciso considerar o frio). Sim, é tão quente em Vênus que derrete o chumbo a 621 graus F. No entanto, o chumbo é um metal macio e pesado. Não construímos aeronaves com chumbo. O alumínio derrete a 1.218 graus Fahrenheit (F) e o titânio derrete a 3.200 graus F. O Lockheed SR-71, voando a Mach 3+, foi projetado no início dos anos 1960 com uma estrutura de alumínio e revestimentos de titânio para protegê-lo do atrito térmico da molécula de ar criado nessas velocidades. Alguém poderia construir outra aeronave do tipo "SR-71" e voar em Vênus, embora os materiais mais sensíveis à temperatura precisassem ser isolados termicamente e alguns precisassem de resfriamento ativo. Em Titã, a 72 graus Kelvin isso significa -330 graus Fahrenheit e nós simplesmente não voamos aeronaves "normais" nesse tipo de frio. Isso é tão frio quanto o nitrogênio líquido e o metal se tornaria tão frágil que simplesmente se desprenderia das forças aerodinâmicas. No entanto, a temperatura no espaço é ainda mais fria em 2,7 graus kelvin (-455 Fahrenheit), mas não há forças aerodinâmicas, pois é um vácuo. Nós "voamos" lá o tempo todo com espaçonaves. A Boeing acaba de completar um recorde de 674 dias no espaço com seu avião espacial X-37. Portanto, voar em Titã com um avião espacial semelhante ao X-37 pode ser prático, afinal.

Isso é difícil de ler. Você pode formatar ou esclarecer um pouco?
O espaço é mais frio do que Titã, mas o vácuo é um bom isolante térmico. Portanto, para fins práticos, a atmosfera de Titã esfriaria uma aeronave muito mais rápido do que o espaço resfria uma espaçonave.


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