home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Space & Astronomy / Space and Astronomy (October 1993).iso / pc / text / spacedig / v13_2 / v13_247.txt < prev    next >
Internet Message Format  |  1991-06-28  |  16KB

  1. Return-path: <ota+space.mail-errors@andrew.cmu.edu>
  2. X-Andrew-Authenticated-as: 7997;andrew.cmu.edu;Ted Anderson
  3. Received: from hogtown.andrew.cmu.edu via trymail for +dist+/afs/andrew.cmu.edu/usr11/tm2b/space/space.dl@andrew.cmu.edu (->+dist+/afs/andrew.cmu.edu/usr11/tm2b/space/space.dl) (->ota+space.digests)
  4.           ID </afs/andrew.cmu.edu/usr1/ota/Mailbox/Ubq8iXy00WBw8Oi049>;
  5.           Sat,  9 Mar 91 02:15:48 -0500 (EST)
  6. Message-ID: <wbq8iTu00WBwMOgE4Y@andrew.cmu.edu>
  7. Precedence: junk
  8. Reply-To: space+@Andrew.CMU.EDU
  9. From: space-request+@Andrew.CMU.EDU
  10. To: space+@Andrew.CMU.EDU
  11. Date: Sat,  9 Mar 91 02:15:44 -0500 (EST)
  12. Subject: SPACE Digest V13 #247
  13.  
  14. SPACE Digest                                     Volume 13 : Issue 247
  15.  
  16. Today's Topics:
  17.           Space Flight Acceleration Regimes
  18.  
  19. Administrivia:
  20.  
  21.     Submissions to the SPACE Digest/sci.space should be mailed to
  22.   space+@andrew.cmu.edu.  Other mail, esp. [un]subscription requests,
  23.   should be sent to space-request+@andrew.cmu.edu, or, if urgent, to
  24.              tm2b+@andrew.cmu.edu
  25.  
  26. ----------------------------------------------------------------------
  27.  
  28. Date: 7 Mar 91 06:42:06 GMT
  29. From: agate!bionet!uwm.edu!linac!pacific.mps.ohio-state.edu!ohstpy!miavx1!bynum@ucbvax.Berkeley.EDU  (Frank Bynum)
  30. Subject: Space Flight Acceleration Regimes
  31.  
  32.  
  33.         Space Flight Acceleration Regimes 
  34.         Frank Bynum [*] 
  35.  
  36.         <Do73556@LTUVAX.bitnet> (Dave O'Hagan), on Thu, 28 Feb 91 10:55  
  37. EST, in message to Leo J Irakliotis <LIRAKLIO@MIAMIU.bitnet>, who 
  38. forwarded it to <FB3ZPHYG@MIAMIU.bitnet> (Frank Bynum) Thu, 28 Feb 91 
  39. 20:51:55 EST, 
  40.   writes: 
  41.    . . .
  42.  >The problem that I wish to address is  
  43.  >the effect on living organisms under high acceleration.  How can we  
  44.  >achieve substantial acceleration, for effective space travel,  
  45.  >without the destruction of the organism inside the speeding ship?  
  46.  
  47.  >  The only force that I can think of using to counteract this  
  48.  >extreme force of acceleration, is centrifugal force.  My thinking is  
  49.  >that the centrifugal force will expand the organism and the force of  
  50.  >acceleration will keep it contained.  
  51.                                                                          
  52.  >  The propulsion would be an alternating blast from three separate  
  53.  >energy ports.  Is any of this possible, or am I breaking an obvious  
  54.  >law?  Thank you again for your time.  
  55.  
  56.  
  57.  >                                      Sincerely  [UNEF]
  58.  >                                   Dave O'Hagan 
  59.  
  60.         It seems Dave O'Hagan was inquiring about strengths / weaknesses 
  61. of idea for measures to reduce the effects of acceleration [on crew of 
  62. humans?] which may be imposed by space flight methods.  
  63.         Would spinning systems to impose centrifugal 'forces' be 
  64. helpful?  
  65.  
  66.         Those who have seen many late show movies may perhaps recall 
  67. seeing depiction of some notion of this type in a 1950's to '60's 
  68. vintage film.  It was based on the stories, _From Earth To Moon_; and 
  69. _Around the Moon_ by J. Vern. (There were Hollywood updates stemming 
  70. from the era when filmed.  These included such as gizmos for nuclear 
  71. propulsion, for use after launch, and a method for humans to not be 
  72. crushed by the shock from launch via cannon blast. ) 
  73.         Note that linear acceleration in some direction, and centrifugal 
  74. acceleration due to rotation, add as vectors.  At a particular moment, 
  75. radius, rotation angle combination, the 2 effects might perhaps add to 
  76. zero.  But at another instant and angle, the effects would combine 
  77. together with the same sign. 
  78.  
  79.         There are conditions in which imposing spin on a system to 
  80. generate centrifugal 'forces' may serve useful functions.  But the above 
  81. does not happen to be one of them.  
  82.         However, lets review what are some of the various regimes of 
  83. acceleration levels and durations encountered with space flight systems.  
  84. Also note where centrifugal 'forces' may be helpful. 
  85.  
  86.         Table: Accelerations in space flight 
  87.     accel/g0 magnitude  duration    description of situation 
  88.      1 to 7;           5 - 20 min.;  X-15, Mercury, Gemini, Apollo. 
  89.      up to 3-8;    1/12 - 1 min each;  Planes in air combat dog fights. 
  90.      1.5 to 3;        10 - 20 min.    NASA Space Shuttle.  [any_Per] 
  91.     0.1 to 1;    2 to 20 min each time; current interplanetary vehic. 
  92.      Micro-grav., near 0;   Few min. to months;  Coasting sp. flt. 
  93.       About 1;    Few min. to 2 weeks;  Advanced solar sys. ships [LN] 
  94.         1E-5 to 1E-4; weeks to years;  electrical propulsion and  
  95.                                        solar pushed light sails 
  96.         few E-2;     days to months;   laser pushed light sails or  
  97.                                        deep space laser rocketry [f_a_c]  
  98.         up to 20;  few min.;       limit of human physiol. endur. 
  99.         10 - 100; 5-15 min.; cargo; ground-space, laser launch 4-P [4-P]  
  100.         1E3 to 3E4; 1.2 to 0.02 sec; cargo, ground-space, EM canon. 
  101.         1E2 to 3E4; few E-3 sec. 1/2 hz rate;  classic Orion pusher plate 
  102.        1.5 to 3 avg., +- fluc.; 10 to 20 + min.; classic Orion crew cabin 
  103.  
  104.         The preceding table summarizes the ranges of acceleration levels 
  105. to be expected by space vehicles and/ or stations.  The first five 
  106. entries are the conditions historically and at present.  The 7-th is 
  107. almost ready to fly as main propulsion for orbit-raising (near Earth) or 
  108. in cis-Lunar or interplanetary ranges.  For a few of these, human crews 
  109. could be present.  
  110.         The 6-th would be vary convenient.  But we won't be likely to do 
  111. it for quite a few decades.  High school physics classes style, simple 
  112. constant acceleration motion calculations, tell all you need to know 
  113. about flight speeds and durations for such ships.  (Accelerate for the 
  114. first half, decelerate for the second half of flight, approximately in a 
  115. straight line.)  
  116.         Entries 12 & 13 apply to 'classic Orion' type vehicles capable 
  117. of launch from planetary surfaces, if legally permitted.  It was an 
  118. early idea for nuclear pulse propulsion.  
  119.         Explosions, with yield in the range of 1 to 50 kt, perhaps 1/2 
  120. to 2 sec. between pulses, occur to the rear of the space ship, thrusting 
  121. it forward.  (Vehicle size might be similar to an ocean going 
  122. battleship.)[NP-II] A pusher plate, exposed directly to the blasts, 
  123. would experience HIGH accelerations for brief instants.  
  124.         A spring system would transfer the impulse from the pusher plate 
  125. mass to the main ship mass over a time period much longer than that of 
  126. any individual impulse.  Thus a crew could ride in the forward 
  127. compartments, experiencing tolerable acceleration levels, not 
  128. tremendously different from those experienced in Saturn and earlier 
  129. launch vehicles.  The 'shock absorber' system would result in the crew 
  130. feeling an average maximum acceleration less than 3-7 g's.  Fluctuations 
  131. about the mean could be specified to fall within + or - 1/10 to 1 g, at 
  132. the same frequency as the explosions. 
  133.         Freeman Dyson said a couple of memorable things of the Orian 
  134. concept.  First was in _Curve of Binding Energy_ --the Amazing Nuclear 
  135. World of T.B.  Taylor, by Mr. McPhee: "For a moment, the Door to the 
  136. Solar System started to open for us.  Then it closed again."  In his own 
  137. book, _Disturbing the Universe_, Dyson added, "The excited times in 
  138. 1958, just after Sputnik-I, were unique in providing a chance for a 
  139. program such as Orion to be seriously considered."  
  140.         Entries 10 & 11 indicate methods which expose cargo, not people, 
  141. to particularly high acceleration levels.  They provide substantial 
  142. potential economic savings for moving space cargo around.  In the "4-p" 
  143. case, a repeatedly pulsed high energy and average power laser beam 
  144. ablates away the bottom of a block of ice (with some payload on its 
  145. top).  The ablated material rushes away, causing a rocket type effect.  
  146. The other case is once again the use of a cannon to put things into 
  147. space.  J. Vern wrote about this.  And the late Dr. Gerald V. Bull had 
  148. done some development work on relevant hardware.  Bull's variant did not 
  149. use EM (electro-magnetic) effects though, but rather chemical explosive 
  150. propellants. 
  151.  
  152.         Unless something of still unforseen nature is developed, 
  153. personnel will not be moved under the conditions of 10 & 11.  People can 
  154. physiologically survive difficult conditions such as 1 and 9, but why 
  155. bother?  Surely the need is more for personnel transport types usable by 
  156. most members of the public.  This should not limited to a few unusually 
  157. fit and highly trained people, nor be postponed until discoveries of 
  158. unknown principles occur.  
  159.         What are ways in which the judgments from 1 paragraph earlier 
  160. might be altered?  
  161.         1. There has been lab research, demonstrated on test animals, on 
  162. breathing of oxygenated liquids.  Perhaps that might permit humans to 
  163. tolerate high pressures, quite high accelerations.  This concept, 
  164. applied to humans, has been used in stories of fiction.  Recall the film 
  165. called _The Abyss_, and a G. Anderson T.V. series titled _U.F.O_.  
  166.         2. Many stories have involved suspended animation of humans at 
  167. cryogenic temperatures.  If revival were solved, easy, inexpensive, 
  168. reliable, legal, then their transport at very high accelerations while 
  169. in this condition might be agreeable.  
  170.         3. E. Drexler has written about the "Nano-Technology" concept in 
  171. _Engines of Creation_ (non-fiction).  Microscopic self replicating robot 
  172. factories--assemblers-- were envisioned to rearrange large amounts of 
  173. complex matter, at the sub-molecular scale.  It might eventually be 
  174. possible for a human, at a whim, for the length of a trip, to have self 
  175. rebuilt into a form in which currently lethal conditions were not a 
  176. barrier.  (Without specifying whether the scale would be macroscopic or 
  177. microscopic, self-replicating factories/ assemblers have been dealt with 
  178. previously by F.J. Dyson, and perhaps originally, by von Niemann).  Many 
  179. of the people currently affiliated with cryonics activities, such as 
  180. those at Alcore, believe that nano-technology may be required to make 
  181. feasible revival from cryogenic suspended animation.  
  182.         4. In fiction, there have been many cases which use the plot 
  183. devices, "force field", "stasis field", "artificial gravity and 
  184. acceleration-compensation field".  In V. Vinge's novels _The Peace War_ 
  185. and _Marooned in Real Time_, there were "bauble" fields.  We do not yet 
  186. know what basis in science to use in creating these effects.  The same 
  187. lack of knowledge applies to FTL (faster than light) travel, or 
  188. teleportation.  Any readers out there have any sound suggestions?  
  189. Experimental and/or theoretical exploration of the relevant mathematical 
  190. models would be much appreciated by a few of us at least.  
  191.  
  192.         Lets turn now to spin-gravity for orbiting stations or space 
  193. vehicles on interplanetary trajectories.  If this technique were not 
  194. used, all parts of such objects in space would be in 'micro-gravity'/ 
  195. '0-g'/ 'free-fall'.  If there were a crew present, whose tour of duty 
  196. lasted for weeks to many months before landing again (on Earth, Mars, or 
  197. Venus), unduly severe physiological changes might occur.  Usage of 
  198. 'spin-grav' avoids this type of problem.  
  199.     accl/g0 = r * omega^2 / g0; omega = 2 pi / period . 
  200.   If accel/g0 = 1, and rotation period = 30 sec, then r becomes 224 m 
  201. (733 ft).  For systems having internal volume for crew within the ranges 
  202. spanning from Apollo CMS & LEM to that for Skylab, under 1/2 km of 
  203. cables between similar sized modules would do.  (The combination would 
  204. rotate about the combined center of mass.) 
  205.         Space systems in most cases have a premium placed on being of 
  206. low in mass for any given linear size.  Tension members might be cables 
  207. or thin sheets of metal, polymer, or fabric.  Members to resist applied 
  208. forces in bending or compression tend to be more massive per unit force.  
  209. Their form tends to be more complex in shape--shells or truss work-- 
  210. than the former.  It is sometimes possible to design a structure in 
  211. space which uses centrifugal "forces" due to rotation to substitute for 
  212. compression and bending members.  Such a thing is called a 'spin- 
  213. tensioned structure'.  Light sails, large optical element surfaces, or 
  214. deplorable aero-breaking drag devices, are among the applications where 
  215. such principles could be used to very good effect.  
  216.         Centrifugal accelerations may be of use in separating materials 
  217. which differ by density.  Devices which separate mixtures which contain 
  218. liquids from vapor and gas phases are needed.  Injection of the flow 
  219. tangentially to a cylindrical surface will result in swirl.  The higher 
  220. density components will be drawn radially outward.  There is a nuclear 
  221. rocket design which uses this arrangement.  The fissionable fuel is a 
  222. dust.  The swirling flow heats hydrogen, which is injected tangentially 
  223. at the outer cylindrical wall.  It flows inward, then expands rearward 
  224. out of a nozzle at the axis.  The dust bed is kept confined against the 
  225. reaction mass flow by its centrifugal acceleration. 
  226.  
  227.         These writings were formed as a response to a question which was 
  228. relayed via electronic mail.  It was in regard to centrifugal "forces" 
  229. and the coping with accelerations which may occur with the use of space 
  230. systems.  An answer, based on my interpretation of the question is 
  231. given.  The ranges for acceleration levels are tabulated for different 
  232. space applications.  Speculations are entertained, for the far term, 
  233. about subjection of humans to higher than present normal accelerations 
  234. (above 3 g's).  And finally, some of the circumstances, where 
  235. centrifugal accelerations may be employed in space system designs, are 
  236. described. 
  237.         ----------------
  238.  
  239.         Notes 
  240.         Notation: 
  241.                 g0 = 9.8 m/sec^2, grav. acceleration at earth surface 
  242.                 omega, angular frequency 
  243.                 number 'E' number: exponential notation 3E-2 is 0.03 
  244.                 avg. -average; fluc. -fluctuation; hz Hertz or 
  245. cycles/sec 
  246.                 r radius of rotating object 
  247.         [*] Sat. 3-2-91 by f.a.b. file is spacl.txt 
  248.         [UNEF] The quotations are formatted according to the  pattern 
  249. common on Use Net News. 
  250.         [any_Per] At such a level --3 g's and less-- your grand parents 
  251. (any reasonably healthy person) can stand the ride.  
  252.         [LN] Larry Nivin uses such ships for the solar system spanning 
  253. 'Belters' in many of his stories set 1 to 2 centuries in our future.  
  254. They give you 3 hours, Earth to Moon, 14 days Earth to Pluto.  They 
  255. assume advanced on board fusion reactors, "High Thrust" engines, which 
  256. have far surpassed our present 'power limited' and 'energy limited' 
  257. cases.  The term for that case is 'acceleration limited', according to 
  258. C. Powel, formerly of UTSI (Univ. of Tenn. Sp. Inst.), now perhaps at 
  259. Vogt Co. 
  260.         [f_a_c] These are foreseeable advanced concepts.  We now see 
  261. ways by which this level may be accomplished, more clearly than how L.  
  262. Nivin's fictional ideal ships might be done.  
  263.         [4-P] Quoting A. Kantrowitz, cited by Jordan Kare, "take along 
  264. payload, propellent, photons, period!" 
  265.         [NP-II] The successor to 'classic Orion' has been nuclear pulse 
  266. propulsion at the smaller yield level.  Thrust is obtained from inertial 
  267. confinement fusion micro-explosions.  Each pulse may have an energy 
  268. release similar to several sticks of dynamite.  The repetition frequency 
  269. might be a few hundred hz.  Vehicle designs result which would be 
  270. easier, than the earlier larger scale, to build and test, once ICF 
  271. became available.  
  272.  
  273. { Frank Bynum (Power Beam Spacer)   h nu + A* --> A + 2 h nu      \ | /
  274. bynum@miavx   or  fb3zphyg@miamiu   D1 D2 = 1.44 R Lambda  ---------+---
  275. followed by .bitnet, or (on internet) by .acs.muohio.edu          / | \
  276. mail c/o Physics Dept. Ofc., Miami Univ. Oxford OH. 45056 USA
  277. or c/o C.A. Bynum, 1616 Rosewood Ave., Louisville KY 40204 USA }
  278. "No grimmer fate can be imagined than that of humans, possessed of god 
  279. like powers, confined to one single fragile world."-- Kraft Ericke
  280.  
  281. ------------------------------
  282.  
  283. End of SPACE Digest V13 #247
  284. *******************
  285.