StarShip e gravità artificiale per viaggi B-LEO con equipaggio umano

Salve, stò cercando di capire se un’idea che mi è venuta in mente può funzionare o no, purtroppo non sono un ingegnere aerospaziale e non sono in grado di valutare i carichi strutturali e la geometria delle strutture in orbita quindi vi sarei grato se perdesse un po’ di tempo a valutare questi aspetti per me e illustrandomi i calcoli che vengono eseguiti.
Vorrei garantire a due StarShip manned in viaggio per Marte una gravità artificiale simile a quella che si avrebbe sulla sua superficie. Considero una massa per SS di 100t dry + 100t payload + 1100t carburante in partenza da LEO (dopo refuel) ed una gravità sul ponte inferiore pari a poco più di 0,38g con 1,8rpm.

La mia idea è quella di lanciare preventivamente in orbita una struttura composta da un lungo traliccio (di che materiale?) che io ho immaginato diviso in 14 elementi da 15,2m di lunghezza a pianta quadrata di 1,4m x 1,4m; il diametro dei tubolari agli angoli è di 0,2m mentre i rinforzi obliqui hanno un diametro di 0,1m (possono essere misure congrue?). La lunghezza totale del traliccio assemblato sarebbe di 212,8m. Potrebbe essere utile strutturalmente inserire un tubo all’interno del traliccio (dove magari far passare anche elettricità, carburante o altro)?
Alle due estremità sarebbe posto un modulo dotato di motore elettrico che dovrebbe far ruotare una StarShip attraccata ad un altro breve traliccio. Ruotando una SS in una direzione e l’altra in quella opposta, sarebbe possibile azionare i loro motori principali per avviare una rotazione di tutto il complesso, una volta raggiuna la velocità desiderata, i motori elettrici sul traliccio ruoterebbero nuovamente le due SS naso contro naso per il resto del viaggio. Una volta a destinazione si esegue il processo inverso per arrestare la rotazione, si parcheggia la struttura in orbita, ci si separa con le due SS e si procede alla routine EDL ed al rientro sulla Terra idem. Ho stimato la dimensione di questi moduli come due cilindri di 3m di diametro per 2m di altezza, per l’alimentazione avrei pensato a prelevarla dalla SS oppure dai moduli di bilanciamento (quelli blu).
Per prevenire o limitare le oscillazioni indesiderate dovute a variazioni di massa a bordo delle SS o di assetto dovute alla navigazione, ho pensato di installare due moduli di bilanciamento (quelli blu) dotati di ruote motorizzate che farebbero presa sugli angoli del traliccio usandolo come un binario.
A questi moduli pensavo di collegare i pannelli solari (non presenti nel disegno al momento) per alimentarli (ed eventualmente fornire alimentazione anche alle SS), un pacco batterie e radiatori per lo scambio termico. Le dimensioni da me ipotizzate sarebbero quelle di un cilindro con diametro di 5m per un’altezza di 10m e una massa di circa 20t. Sarebbero in grado di adempiere al compito? La mia perplessità principale riguarda il fatto che, così come li ho disegnati, sarebbero fuori dalla direttrice che congiunge le due SS sul piano di rotazione. Potrebbe essere un problema anche per il traliccio stesso essere al di fuori di questo piano? Sarebbe meglio sospendere un modulo sotto al traliccio in modo che sia sullo stesso piano delle SS? Mi sono limitato al docking sul dorso delle SS per evitare interferenze con lo scudo termico e non prevedo passaggio di carico o equipaggio attraverso il traliccio a parte eventualmente elettricità e metano (sarebbe possibile anche usarlo per bilanciare la rotazione trasferendo carburante tra le due SS).
Più che opinioni sull’opportunità o meno, mi piacerebbe avere dei dati o fonti dove reperirli che mi facciano capire se una cosa del genere sia tecnicamente fattibile, tralasciando discorsi di economicità ed opportunità.
Grazie in anticipo.

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Mi sembra molto complicato usare tralicci, vedo meglio un trefolo e, con le cautele ed i sistemi di smorzamento adeguati, usare gli rcs per accelerare il sistema attorno ad un baricentro comune.
Per quanto riguarda gli allineamenti, considera che un propulsore ha una spinta assiale e che il punto di applicazione della forza rispetto al vincolo ed al baricentro determina rotazioni, che devono essere controllate con altro carburante, oppure carichi sul traliccio (comunque piccoli, accelereresti comunque molto molto lentamente)

Più la posizione è sulla retta che unisce i cardini e la spinta sulla tangente del cerchio meglio è

Ho scelto di utilizzare un traliccio e non un cavo / trefolo perchè impone più gradi di vincolo alle SS e mi pare una scelta migliore, inoltre non mi sembra una struttura complicata, si tratta letteralmente di stringere qualche bullone tra una sezione e l’altra una sola volta prima di poter utilizzare la struttura virtualmente (salvo usura dei materiali) all’infinito.
Comunque ripeto, mi interessano dei calcoli per capire se la struttura può reggere e funzionare più che altri modi di ottenere lo stesso risultato. Ti ringrazio per la parte sulla geometria del sistema.

EDIT: Ho aggiornato il sistema, le componenti restano le stesse del primo post, varia un po’ la disposizione ed il movimento del modulo stabilizzatore (ora può essere allineato o meno a piacimento rispetto all’asse di rotazione). Spero che il movimento desiderato sia più chiaro con le frecce.

per parcheggiare in orbita il traliccio devi avere dei motori anche sul traliccio, che diventa un ulteriore veicolo. Per verificare gli sforzi in una struttura reticolare dovresti fare un modello fem con i vari valori di massa, vincolo e motori, non è banale. Non vedo bene la motorizzazione del traliccio con delle ruote fisse, dovresti averle su un carrello in grado di spostarsi nel baricentro del sistema diversamente vai a introdurre una rotazione del tutto attorno al baricentro che non è desiderabile

Per il parcheggio in orbita pensavo di utilizzare dei motori elettrici tipo Starlink ma non volevo mettere troppa carne al fuoco prima di capire se la struttura può funzionare. Per quanto riguarda il movimento, probabilmente non mi sono spiegato a dovere: il piccolo traliccio centrale è dotato di un carrello che lo fa muovere “avanti e indietro” sul traliccio più lungo che sta fermo, inoltre il modulo blu può muoversi sempre con dei carrelli sul traliccio più piccolo “su e giù”. Durante il parcheggio in orbita poi il traliccio non dovrebbe ruotare per facilitare il docking delle SS. Per semplificare il disegno ho semplicemente accostato i vari moduli senza disegnare i carrelli…

Da completo ignorante io collegherei il traliccio (o il trefolo) alla parte posteriore delle navette: sarebbe più allineato al loro baricentro, non interferirebbe con lo scudo termico e potrebbe essere ancorato all’anello di spinta: una struttura molto robusta.

Non funziona, ti ritroveresti a camminare sui soffitti… La struttura di SS si può irrobustire in qualsiasi punto se serve, ma il punto del thread è la struttura esterna, non tanto SS.

il concetto di soffitto è aleatorio nello spazio, puoi farlo dove ti è comodo

Sarà aleatorio nello spazio, ma prima del decollo e dopo l’atterraggio diventa molto più tangibile. Comunque tutto questo è OT qui, ripeto che vorrei parlare della struttura dove effettuare il docking riguardo agli aspetti strutturali, se volete proporre altri tipi di struttura, aprite altri thread per cortesia.

A mio avviso la vedo complicata, soprattutto utilizzando una struttura rigida come una trave (o traliccio, ma da un punto di vista statico è una trave), per altro nei punti di giunzione si generano notevoli sforzi di taglio e anche qualche componente torsionale che sarebbe assolutamente da evitare.

Come già detto da Mike65 sarebbe meglio se il tutto passasse per i rispettivi centri di massa in maniera tale da generare solo (o meglio prevalentemente) sforzi normali.

Questa storia di ottenere la gravità artificiale tramite la rotazione reciproca di due veicoli collegati con un cavo, intorno ad un baricentro comune, è vecchia dato che la NASA già negli anni '60 del secolo scorso ha condotto dei test con le capsule Gemini ed il vettore bersaglio Agena:

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E ben noto, ma vale la pena di ricordare che il livello piu’ elevato di gravita’ artificiale su un veicolo abitato finora raggiunto e’ stato con Gemini 8, ben 4 g, a causa di una anomalia.

L’episodio ha consentito a Neil Armostrong di dimostrare la sua incredibie freddezza e capacita’ di problem solving in situazioni estreme… praticamente erano come dentro la centrifuga di una lavatrice…

Invece Gemini 11, intenzionalmente, ha generato 0.00015 g

Si ma in quel caso la gravità per così dire “artificiale” è stata ottenuta in maniera accidentale (ed è il caso di dirlo) e dovuta alla rotazione frenetica del complesso Gemini/Agena intorno al proprio asse principale. Succede la stessa cosa a qualsiasi aereo acrobatico durante le sue manovre, oppure durante un combattimento aereo.

Nel caso della Gemini 11, invece, si voleva proprio verificare il principio che fosse possibile ottenere una gravità artificiale mettendo in rotazione reciproca, intorno ad un centro comune, due masse tenute insieme da un cavo teso.

Beh non sono sicuro che la chiamerei proprio gravità artificiale, trattandosi di un’accelerazione involontaria e non stabile…

Edit: ooops mi sono sovrapposto ad @archipeppe sorry!

tra l’altro stavo pensando che usare delle ruote di reazione per accelerare una tale massa è molto difficile, l’energia che serve è tanta e ciò significa usare ruote massicce o raggiungere velocità enormi. In entrambi i casi è una soluzione con molti contro e pochissimi pro.

Non ho fatto calcoli, ma temo che la fune o la struttura la fune o la struttura che deve reggere le due masse debba sopportare una forza centrifuga troppo elevata.
Magari in un futuro, ma oggi credo che i carichi siano troppo elevati.

Dipende dalla lunghezza della fune, più aumenti il raggio e minore è la rotazione del sistema.
Ovviamente dipende anche dal livello di gravità che si vuole raggiungere 1g è tanto, magari 1/3g (Marte) oppure un ancora più comodo 1/6g (Luna) sarebbero più accessibili in termini di stress del sistema.

Poi c’è il propellente per fermare la rotazione. i due veicoli dovrebbero azionare i loro razzi per fermarla.
Se il perno fosse installato su una grande stazione con una massa notevole allora un motore elettrico potrebbe bastare. Sui due bracci dei pesi scorrevoli possono bilanciare la struttura. Ma le complicazioni sono notevoli.
Fattibile ma ancora molto SF.

Complicato è la parola più ricorrente del thread! :grin:
Per far fronte agli sforzi di taglio il traliccio è una struttura molto adatta a sostenere sforzi di compressione e di taglio (e suppongo anche in trazione) ed infatti è molto utilizzata in vari campi (in edilizia per travi, appunto, e gru, in aeronautica per creare telai di velivoli, per telai di autovetture da corsa, etc.). Sicuramente sarebbe meglio un traliccio a doppia freccia, anzichè a freccia singola come nel mio disegno a scapito di una massa maggiore. Inserendo poi all’interno del traliccio un cilindro cavo saldato ai vari elementi del traliccio si incrementa ancora la resistenza geometrica della struttura a scapito di una maggiore massa. Poi ovviamente vanno dimensionati i materiali e gli spessori per sopportare lo sforzo richiesto ed è quello che vorrei fare! :nerd_face: Per quanto sia grande una forza da contrastare, esisterà una struttura fatta in modo da resistere, altrimenti non avremmo ponti, grattacieli, meganavi etc. no?
Il punto di attacco lo ho scelto, come ho già scritto, per evitare di avere elementi mobili o punti di ancoraggio in punti della StarShip esposti al calore del rientro atmosferico e sicuramente dotati di scudo termico: fissare qualcosa li sarebbe davvero complicato! Se ci pensi bene qualsiasi trave di un solaio è soggetta a notevoli sforzi di taglio, semplicemente è dimensionata in modo tale da sopportarli.
Sono al corrente degli esperimenti NASA con i tether ma non mi sembra il giusto modo di realizzare un sistema del genere (ed anche la NASA, almeno per ora, ha lasciato perdere… :grimacing: ) proprio perchè manca di rigidezza e non potrebbe contrastare le forze in compressione: che succede se le due StarShip si avvicinano tra loro e poi rimbalzano? Con una struttura rigida questo non potrà mai succedere.
Sto provando a cercare qualche software FEM ma credo che anche se lo trovassi non sia adeguato perchè dovrebbe tenere conto dell’assenza di gravità e non ho capito se si possa impostare in quel modo… Suggerimenti in merito?

Siamo in grado di sostenere questi carichi con delle strutture a traliccio… Sulla Terra, con 1g… Credo siano carichi certamente superiori alla massa di due SS… E su campate più ampie…

Golden_Gate_Bridge_from_underneath

Il giorno che manderemo in orbita un oggetto con la massa del golden gate chiamatemi :grinning:

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