Wie lange würde ein U-Boot der Virginia-Klasse und seine Besatzung dauern, wenn sie in eine stabile Erdumlaufbahn transportiert würden?

Andrew Wygle

Was für eine interessante Frage! Etwas außerhalb meines Fachgebiets, aber ich werde mein Bestes geben, um zu antworten.

Zunächst einmal ist es unwahrscheinlich, dass Sie Probleme mit Druck haben. Die Druckhülsen von U-Booten sind für Tauchtiefen ausgelegt, die sie einem Druck aussetzen, der deutlich über der Atmosphäre liegt (was ungefähr im Orbit passiert). Es kann einige Komplikationen geben, wenn der Druck plötzlich negativ ist (zumindest aus der Perspektive der Designer der Untergruppe), aber ich bezweifle es eher.

Die Kreuzfahrtdauer eines U-Bootes mit schnellen Angriffen scheint etwa 6 Monate zu dauern (nach Rick Campbell, hier: The Basics of Use Nuclear Powered Submarines). Aber so lange könnten Sie nicht durchhalten. Moderne Atom-U-Boote machen ihre Luft und ihr Wasser aus Meerwasser, das sie typischerweise reichlich versorgen. Im Vakuum des Weltraums ist das etwas weniger richtig. Als Ergebnis haben Sie eine Art von Sophies Wahlszenario - reservieren Sie Ihr Trinkwasser zum Trinken, oder verwenden Sie es, um Ihre Luft aufzufüllen? Da U-Boote auch mit ziemlich effizienten CO2-Scrubbern ausgestattet sind, ist mein Bauchgefühl das Sie würden durch die Verfügbarkeit von Süßwasser begrenzt sein. Ich konnte keine Zahlen über Frischwasserbunker oder irgendwelche Recyclinganlagen finden, die vorhanden sein könnten (ich vermute, dass letzterer minimal ist), also muss ich Ihnen einen WAG von ungefähr zwei Wochen für das volle Kompliment geben, unter ideale Bedingungen (für ein U-Boot im Weltraum).

Das Hauptproblem bei einem Atom-U-Boot für die Raumfahrt besteht darin, dass die nominale Antriebstechnik davon abhängt, dass sie von Meerwasser umgeben ist. Subwoofer der Virginia-Klasse verwenden Pumpjets, die näher an Raketentriebwerken liegen als Propeller oder Schrauben. Nehmen wir an, dass wir den Motor in eine nukleare thermische Rakete umwandeln können (was eigentlich nicht so schwer wäre, verglichen damit, ihn überhaupt in die Umlaufbahn zu bringen) und einige Zahlen über die Effizienz laufen lassen würden.

Die Verdrängung eines Virginia ist 7.900 Tonnen oder 7,9 Millionen Kilogramm. Lassen Sie uns so tun, als würde es so viel wiegen, die Dichte des Wassers ist normalerweise eine gute Schätzung für die Gesamtdichte der Dinge. Nehmen wir weiterhin einen nützlichen Lastanteil von 90% an - das ist das Gewicht der Nutzlast und des Brennstoffs zusammen geteilt durch das Gesamtgewicht - und einen Nutzlastmassenanteil - Nutzlast dividiert durch das Gesamtgewicht - von 5% (mehr als 5 mal besser als die meisten Raketen, aber wir sind schon in der Umlaufbahn, die "auf halbem Weg zu überall" ist) Kraftstoffmasse von 395.000 kg.

Der Reaktor in Virginia kann 30 MW Leistung pumpen. Der Wikipedia-Artikel, den ich habe, sagt nicht aus, ob das thermisch oder mechanisch ist, aber sei vorsichtig und gehe davon aus, dass es alles thermisch ist. Die Leistung hängt wie folgt mit der Schub- und Auslassgeschwindigkeit zusammen:

Leistung = Schub * Abgasgeschwindigkeit / 2

Der spezifische Antrieb für den NERVA-Motor, soweit ich weiß, war die einzige nukleare thermische Rakete, die jemals einen Heißbrandtest hatte, etwa 850 Sekunden. Das war ein Wasserstofftreibstoff. Da die spezifischen Impulszeiten von 9,8 Meter pro Sekunde im Quadrat uns Abgasgeschwindigkeit geben, beträgt unsere Ausströmgeschwindigkeit für diese Reise etwa 8,33 Kilometer pro Sekunde und unser Schub beträgt etwa 7,2 kN. Bei 7,9 Millionen Kilogramm (Gigagramm?) Sind das fast 0,001 Meter pro Sekunde Beschleunigung.

Nun, die Raketengleichung beruht auf Massenanteil und spezifischen Impulsen, für die wir bereits Annahmen getroffen haben. Beim Einstecken unserer Zahlen bekommen wir ein Delta V von fast 25 Kilometern pro Sekunde. Dies ist eine ausgezeichnete Zahl, die uns fast überall im Sonnensystem und etwas mehr als die Hälfte dessen, was wir brauchen, um der Schwerkraft der Sonne zu entkommen, bringen kann. Wir würden nur sehr langsam dort ankommen, was bei Raketen eine ziemlich häufige Wahrheit ist - je langsamer du gehst, desto weiter kannst du gehen (siehe Ionentriebwerke für ein anderes Beispiel).

Das ist eine ziemlich lausige Analyse (insbesondere habe ich die Masse des U-Bootes gleich gehalten, nachdem ich 95% davon in Wasserstoff umwandelte, was eine gewaltige Volumenzunahme erforderte). Im Nachhinein hätte ich das Volumen natürlich konstant halten und meinen Massenanteil daraus ableiten sollen mit geeigneten Annahmen über die Masse des Druckkörpers, aber ich gehe jetzt nicht zurück). Aber hoffentlich gibt es Ihnen eine gute Vorstellung davon, wie Sie diese Gedankenexperimente und die relevanten Gleichungen, die in diesem Fall involviert sind, angehen können.

Danke für die Bitte um Antwort - das hat sehr viel Spaß gemacht!

Steve Jacobs

U-Boot Sonar Techniker - STS1 (SS)
Beantwortet 15. Januar 2017 · Autor hat 1k Antworten und 984.4k Antwortansichten

Tage vielleicht.

Die Luken auf U-Booten sind so gebaut, dass sie den Druck OUT halten, nicht IN. Sie würden ihre Luft ziemlich schnell verlieren.

Selbst wenn man das Schiff versiegeln könnte, um die Luft im Inneren zu halten, hätte man immer noch Wasser (man benötigt Meerwasser und Strom um das Wasser zu destillieren) und Sauerstoff (man benötigt Wasser und Strom um H20 in O und H2 zu spalten) ), Energie produzierend (Reaktoren müssen ihre sekundäre Schleife mit Meerwasser kühlen), Klimaanlage (Sie brauchen Energie und können die unerwünschte Hitze mit Meerwasser über Bord werfen), Essen (Sie können nur so viel Essen tragen, und Sie können " (tanken oder frieren Essen ohne Strom und Kühlung), Müllentsorgung (weniger ein Problem, aber die Müllentsorgungseinheit (TDU) nutzt Schwerkraft, so dass die Dosen und Taschen aus dem Boden fallen. Sonar wäre nutzlos (das Vakuum des Weltraums doesn "t Ton zu gut übertragen).

Da die Leckrate aus den Luken eine Funktion des Druckdifferentials ist, könnten Sie die Luken extra fest ziehen, ein Dichtmittel auftragen und den Innendruck so weit reduzieren, dass das Auslaufen minimiert und die O2-Versorgung ergänzt wird die Hauptballasttanks. Die Schiffsnotwellendichtung müsste ebenfalls in Eingriff gebracht werden, um keine Luft um die Antriebswelle herum zu verlieren.

Es ist schwierig, sich im Inneren zu bewegen, da das Schiff nicht für eine Schwerelosigkeitsumgebung gebaut ist. Es gibt keine Möglichkeit zu navigieren, da Ihre Ruder und Kontrollflächen nutzlos sind. Propeller funktionieren nicht gut im Vakuum.

Trim-Wasser und Hygienetanks würden aus ihren Schlitzen auslaufen und die Toiletten benutzen die Schwerkraft zum Spülen. Du könntest die San-Panzer über Bord blasen, aber da das Ansaugrohr am Boden des Tanks ist, wirst du auch viel Luft verlieren.

Ein anderes Problem wäre die Hauptbatterie. Es besteht aus vielen Blei-Säure-Zellen und ohne Schwerkraft, die den Elektrolyten von den Lüftungsöffnungen fernhält, würde Säure austreten, wenn sich Wasserstoff bildet und mit den Dingen verheerend wirken. Es würde auch ziemlich schnell keine Kraftquelle mehr sein.

Ich bin sicher, es gibt eine Million anderer Dinge, die ich vermisst habe, aber das sind die breiten Pinselstriche.

Wiedereintritt wäre ... aufregend.

Tamojit Maiti

Finalist | Indische Physikolympiade 2012

Aktualisiert am 23. November 2017 · Autor hat 83 Antworten und 356.3k Antwortansichten

Tl; DR: Das U-Boot würde höchstwahrscheinlich in Ordnung sein. Seine Mannschaft würde jedoch in Schwierigkeiten geraten.

Zunächst einmal möchte ich Ihnen versichern, dass das U-Boot aller Wahrscheinlichkeit nach nicht platzen wird. U-Boote werden typischerweise einem Druck von 50-80 Atmosphären im Ozean ausgesetzt, so dass das Aufrechterhalten eines Innendrucks von einer Atmosphäre hoffentlich kein Problem darstellen würde.

Da der Rumpf luftdicht ist, könnte die Besatzung leicht atmen (für wie lange, das ist die Frage!) Die Tatsache, dass Wasser bei 60 Atmosphären äußerem Druck keinen Weg findet, deutet darauf hin, dass Luft nicht vorhanden wäre "t leicht entkommen.

So weit, ist es gut!

Das offensichtliche Problem, dem die Besatzung gegenüberstehen würde, wäre das der Luft. Atom-U-Boote nutzen meist die aus den Kernreaktoren erzeugte Elektrizität, um aus dem Wasser, das sie aus dem Ozean beziehen, Sauerstoff zu erzeugen. Im Weltraum gibt es jedoch kein Wasser. Obwohl U-Boote Notfall-Sauerstoffversorgung haben könnten, die ihnen ermöglichen könnte, für ein paar Tage zu atmen, wird die Versorgung schließlich auslaufen.

Ein anderes Problem, dem die Mannschaft möglicherweise gegenübersteht, ist das der Heizung (und bleibt cool). In den Weltraum gehen, können Objekte sehr unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sein. Obwohl das Vakuum des Weltraums keine Temperatur hat, tun Objekte, die sich durch den Raum bewegen. Da das U-Boot in einer Umlaufbahn ist, wird es wahrscheinlich die Erde mit einem "Tag" und einer "Nacht" während jeder Umlaufbahn umkreisen. Die Temperaturen, die Objekte im Weltraum erfahren, sind oft ziemlich extrem, verglichen mit dem, was dieselben Objekte hier auf der Erde erfahren würden.

Also hätte das Sub gegenüber der Sonnenseite ein Problem, sich kühl zu halten. Raum, ist nicht leitend, und im Gegensatz zu Wasser findet keine Wärmeübertragung durch Konvektion statt. Der Wärmeverlust an den Weltraum durch Strahlung wäre also die einzige Option. Es stellt sich heraus, dass die Wärme, die vom Subwoofer in den Weltraum abgegeben wird, im Vergleich zu der Wärme, die das Subwoofer von der Sonne erhält, sehr niedrig ist. Und so würde die Temperatur im Inneren des U-Bootes steigen. Ohne Kühlmechanismus werden die Innenräume ziemlich schnell ziemlich heiß.

Im Schatten der Erde werden die Temperaturen sinken. Bleiben sie jedoch warm, so werden sie entwickelt, besonders da sie regelmäßig 4 Grad Celsius Meerwassertemperaturen ausgesetzt sind. Aufgrund der Tatsache, dass der Raum viel kälter ist, scheint es, als würden sie viel schneller Wärme verlieren als die normale 4-Grad-Celsius-Umgebung, und deshalb müssen sie ihren Reaktor laufen lassen, nur um warm zu bleiben.

Antrieb ist wahrscheinlich ein Problem. Wenn sie jedoch einen Weg finden, selbstfahrende Raketen an das U-Boot anzubringen (anstatt von ihm abgefeuert zu werden) und den Antrieb der Rakete benutzen, um sich zu bewegen, könnte das einfach funktionieren.

Ahmed Usman

Maschinenbau-Student
Beantwortet 27. September 2014

Das kleinste und wahrscheinlich leichteste Atom-U-Boot, das ich kenne, ist der NR-1 der US Navy.

Der NR-1 ist so konzipiert, dass er bis zu einer Tiefe von 725 Metern abtauchen kann, so dass der Rumpf einem Druck von etwa 70 Atmosphären standhalten muss (von außen eingedrückt). Im Gegensatz dazu muss ein Raumfahrzeug nur eine Druckdifferenz von einer Atmosphäre von innen nach außen aushalten. Die meisten Metalle sind stärker in Spannung als in Kompression, so dass die erforderliche Dicke, um diesen Druck zu widerstehen, ziemlich klein ist. Sobald Sie im Weltraum sind, was könnten Sie mit einem U-Boot tun? Das Antriebssystem könnte Elektrizität erzeugen, aber die Propellors würden nicht funktionieren, noch würde irgendeine der Einstellungskontrollen. U-Boote können Sauerstoff durch Elektrolyse von Wasser erzeugen, aber es gibt kein Wasser im Weltraum. Kurz gesagt, es wäre einfach nicht praktikabel.

Es gibt also viele Probleme (vorausgesetzt, Sie haben das Hauptproblem des Startens zunichte gemacht). Die verbleibenden Hauptprobleme sind Sauerstoff und Energie: Wenn Sie eine Möglichkeit finden, Sauerstoff und Energie im Weltraum an Bord eines Sub mit etwas leichtem und kompaktem tragbaren Gerät zu produzieren Es besteht die Möglichkeit, dass du Subcosmine erschaffst (das ist, was ich dachte, würde ein Weltraum reisen Sub genannt werden, wenn du eins machst: p)

Tim Cole

Space Kadett, harter SF Typ,
Beantwortet 27. September 2017 · Autor hat 5.6k Antworten und 5.7m Antwort Ansichten

U-Boote sind im Vergleich zu Raumfahrzeugen unglaublich stark. Denken Sie an die Tanks auf der Karte eines Schweißers im Vergleich zu einem Ballon. Ein U-Boot würde also sehr gut im Orbit halten und eine Menge Abschirmung vor kosmischer und Sonnenstrahlung bieten. Ein U-Boot in die Umlaufbahn zu bringen wäre ein Problem, aber du hast mich von diesem besonderen Haken befreit. (Wütend!)

Ihre großen Probleme werden also die Kontrolle von Luft und Wärme sein. Atom-U-Boote erzeugen Sauerstoff aus Meerwasser und scheuern Kohlendioxid aus. Sie wären auf die Luft im U-Boot und auf die Reserven, die Sie zur Verfügung hatten, beschränkt. Ältere dieselelektrische U-Boote konnten nicht länger als zwei bis drei Tage durchhalten. Nehmen wir an, Ihre Luft würde ungefähr eine Woche halten.

Hitzekontrolle wäre ein viel schlimmeres Problem. Die Leute sprechen über die Kälte des Weltraums, aber das Problem ist in der Regel überschüssige Wärme loswerden. Die Menschen produzieren ungefähr so ​​viel Wärme wie die gleiche Anzahl an Glühbirnen, so dass es ziemlich schnell warm wird. Der schwarze Rumpf würde die Abwärme sehr effektiv abstrahlen, aber er würde auch die Sonnenenergie genauso schnell absorbieren Der Rumpf würde riesig werden, wahrscheinlich würde der Rumpf damit zurechtkommen, aber Luken, Drüsen, Beschläge und dergleichen würde es wahrscheinlich nicht geben.

Sie haben auch kein Meerwasser für die Wärmetauscher des Atomreaktors, also müßten Sie den Reaktor sehr schnell schließen. (Ich weiß wirklich nicht, wie schnell - Stunden, stelle ich mir vor, aber ich bin es Es würde auch nicht lange dauern, bis der Reaktorkern zu schmelzen beginnt. (Nochmal, ich weiß nicht wie lange - vielleicht ein Tag, aber ich denke auch hier.) Das ist keine gute Sache! ("Denkst du, Captain Obvious?")

Ich glaube, du willst, dass Scotty dich innerhalb eines Tages zurückschickt.

Y "weiß, ich habe nicht wirklich daran gedacht dies zu beantworten, aber es hat Spaß gemacht!

Arnab Animesh Das

Versuche subtile Beobachtungen zu identifizieren und zu verstehen
Beantwortet 27. September 2017 · Autor hat 152 Antworten und 191.1k answer views

Zuallererst würde ich nichts ignorieren. Zweitens würden sie aufgrund des Mangels an Weltraumtraining (da sie U-Boot-Crews sind) für einen viel längeren Zeitraum als die Weltraumwissenschaftler bewusstlos werden, was möglicherweise Migräne und was auch immer Symptome verursachen könnte Sie müssen sich also einem Weltraumtraining unterziehen (zumindest müssen sie sich an die Schwerelosigkeit des Weltraums gewöhnen, ohne die Bedingungen des Weltraums zu beachten). Abgesehen davon, aufgrund sehr hoher Temperaturen, die durch Verbrennung von Treibstoff entstehen, Reibung mit Luft und Beschleunigung, der Atomreaktor könnte instabil werden und explodieren, selbst dann, wenn es aufgrund einiger Wunder nicht geschieht, würde er aufgrund der plötzlichen Änderung der Außentemperaturen im Raum sicher instabil werden. Selbst wenn ich die Tatsache ignoriere und einen sichereren Motor installiere, der dem ähnlich ist, was in einem Space Shuttle verwendet wird, würde es eine Space Shuttle Klasse erfordern, um den äußeren Bedingungen standzuhalten, wenn die Crew am Leben bleiben muss und wie groß sie auch sein mag wird sicherlich eines Tages ausgehen, es sei denn, es wurde eine wundersame Technologie erfunden, um Sauerstoff mithilfe von Sonnenenergie aus der Weltraummaterie zu produzieren. Wenn im U-Boot einige Modifikationen vorgenommen werden, um seine Manöver im Weltraum zu ermöglichen, muss es mit einer Art von Jets, die in Raumfähren anstelle von Propellern verwendet werden, installiert werden. Letztendlich wurde es eine Raumfähre in Form eines U-Bootes der U-Boot-Klasse von Virginia, das Raumtraining absolviert hatte, um mindestens eine merkliche Zeit im Weltraum zu bleiben.

Appendix - Obwohl es eine sehr komplexe Angelegenheit wäre, wäre es aufgrund der Tatsache, dass die Körperdynamik und die Körperdynamik des Space Shuttles völlig anders sind, und sie müssten unzählige Zahlen machen. der Anpassung an seinen Körper, ausgehend von Quadrat 1, wenn es in einer stabilen Erdumlaufbahn gehalten werden muss, so ist es schon ein Versäumnis, damit zu beginnen.

N.B - Sie haben die meisten Anpassungen in Ihren Annahmen bereits vorgenommen (Probleme ignorieren), um sie bereits in ein Space Shuttle zu verwandeln. : P

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