Comenzando con el reabastecimiento de combustible en LEO, ¿cuánta carga útil podría una Starship protegida contra el calor aterrizar suavemente en Mercurio después de la asistencia de la gravedad de Venus?

Esta pregunta puede ser un seguimiento crucial de esta porque en esta respuesta se calcula que la carga útil a Mercurio sin asistencia de gravedad probablemente sería mínima, por lo que si ya se pudiera alcanzar una reducción moderada en la velocidad de las naves espaciales, eso causaría un cambio relativamente grande en la carga útil para mejor.
De esta respuesta, aprendí que Starship simplemente no está diseñado para sobrevivir al calor que absorbería al viajar tan cerca del Sol. Pero supongamos que tendría capas adicionales resistentes a la temperatura o escudos térmicos para enfriamiento radiativo , mientras que ya tiene un escudo térmico en su vientre para aerofrenado.

Dado que el propósito de la asistencia de gravedad de Venus sería reducir la velocidad de la nave espacial, y Starship tendría los escudos térmicos necesarios, el aerofrenado en la atmósfera superior de Venus sería una opción adicional, aunque el efecto probablemente sería difícil de calcular.

Finalmente, ¿no sería ventajoso que Starship pudiera alcanzar lentamente a Mercurio en algún lugar entre su perihelio y su afelio, donde la velocidad orbital del planeta aumentaría de casi 39 km/s a 59 km/s en solo 44 días?
¿O es alrededor del afelio, porque entonces hay más tiempo para ajustar la velocidad?

El escudo térmico de Starship no es un escudo solar. Está hecho para permitir el frenado aerodinámico a velocidades hipersónicas en una atmósfera durante unos minutos, no para soportar un intenso calentamiento radiante en el vacío durante meses. Las dos cosas estarían diseñadas de formas completamente diferentes, y un protector solar descartaría en gran medida el aerofrenado como una opción. Y el mayor problema para llegar a Mercurio es el simple delta-v. El problema no es la falta de tiempo, es que físicamente no puede llevar el propulsor requerido para hacer el trabajo con propulsión química sin múltiples etapas prescindibles.
Starship tiene el potencial de ser la primera nave espacial de propósito general, capaz de llegar a gran parte del sistema solar a través de la transferencia de propulsor orbital e ISRU, pero no creo que entiendas completamente cuán extremo es el caso de Mercurio. Es concebible que puedas alcanzarlo con Starship, pero estarías mucho mejor con una nave espacial especializada diseñada desde cero para esa misión, con múltiples etapas grandes prescindibles o alguna tecnología de propulsión completamente diferente, como la nuclear o la solar térmica. cohetes, y probablemente un componente de solo órbita si tiene la intención de que regrese algo.
Además, eso es solo por alcanzarlo ... para la colonización simplemente no tienes suerte: los polos de Mercurio están cerca de la parte superior de la lista de las ubicaciones superficiales más inaccesibles de todo el sistema solar. Cualquier otra ventaja que vea no importa si ni siquiera puede llegar allí .
@ChristopherJamesHuff Entonces, Starship podría usar su vientre para el aerofrenado, y después de dejar Venus, podría girar su parte trasera, con su superficie de enfriamiento radiativo, hacia el Sol. Si la nave espacial pudiera lograr, con algunas quemas de corrección, ponerse al lado de Mercurio de esta manera, ¿no sería entonces el delta-v necesario restante la velocidad de escape para Mercurio, siendo 4,3 m/s?
No está protegiendo contra los niveles de insolación cercanos a Mercurio con un revestimiento posterior que puede sobrevivir a un paso a través de una atmósfera a velocidades de sobrevuelo de Venus. No sé por qué estás tratando de hacer esto con enfriamiento radiativo en la superficie que mira al sol. Lo que necesita es algo mucho más parecido al parasol de MESSENGER y más aislamiento en el vehículo real para protegerlo contra el propio mercurio. Y no, el delta-v restante no es la velocidad de escape de Mercurio... ese es el mínimo que sería si Mercurio estuviera solo en un espacio vacío. En realidad, está en lo profundo del pozo de gravedad del Sol.
Para una narración completa del viaje de MESSENGER a Mercurio, está este artículo
@ BrendanLuke15 Sí, eso es muy completo, ¡no me atrevería a pedir una respuesta tan detallada! :)

Respuestas (2)

Un solo sobrevuelo de Venus ayuda, pero no hace posible el viaje para Starship.

A continuación se muestra un gráfico de las trayectorias de 2025-2030 desde la Tierra hasta Mercurio que sobrevuela Venus una vez. Están trazados por la salida de la Tierra. Δ V (eje X, desde 250 km LEO) y llegada de Mercurio Δ V (Eje Y, velocidad relativa de Mercurio a 0 km de altitud):

trayectorias posibles

Había más de 1,7 millones de trayectorias posibles (puntos azules). la suma minima Δ V es 11,65 km/s y se muestra como el punto rojo. La línea negra muestra la Δ V límite de una nave estelar sin carga útil, 8,94 km/s . Una trayectoria solo funciona si se encuentra por debajo de esta línea.

Las trayectorias de sobrevuelo múltiple más elaboradas son cada vez más costosas (computacionalmente) de buscar y están más allá de mi conjunto de habilidades. Mirando a McAdams, J et al. "MESSENGER: seis maniobras principales, seis sobrevuelos planetarios y 6,6 años en la órbita de Mercurio", Avances en las ciencias astronáuticas. 142. (2012). , un relato definitivo del viaje de MESSENGER a la órbita de Mercurio, podemos resumir las principales maniobras para encontrar el Δ V costo de una comparación de sobrevuelo múltiple:

Maniobra: Δ V (km/s) notas
"Lanzamiento" (de LEO) 3.94 atrás calculado a partir de un C3 de 16.4 k metro 2 / s 2 & 250 km LEO, Figura 5
DSM-1 0.3156 Tabla 5
DSM-2 0.2274 Tabla 5
DSM-3 0.0722 Tabla 5
DSM-4 0.2467 Tabla 5
DSM-5 0.1778 Tabla 5
MOI 0.8617 Tabla 5
DeOrbit para aterrizar 0.02 costo de cambiar la órbita de 15265 km x 207 km a 15265 km x 0 km
Aterrizaje 3.98 velocidad en el periapsis en una órbita de 15265 km x 0 km
MENSAJERO Total 5,84 ( 1,90 por nave espacial )
Total para aterrizaje 9.84 suma de todas las maniobras

Incluso si Starship tomó la trayectoria hipereficiente (¡pero de 6.6 años de duración!) MESSENGER, todavía no puede aterrizar en Mercurio.

Probablemente también sea seguro decir que la trayectoria similar a MESSENGER se encuentra en los límites superiores de eficiencia, lo que probablemente representa un mínimo Δ V presupuesto para llegar y, por extensión, aterrizar en Mercurio.

¡Impresionante trabajo! Necesitaré algo de tiempo para comprobarlo, en la medida de lo posible para mí.
El total de @Cornelis para MESSENGER es de LEO para una comparación equitativa con Starship, lo dejaré más claro (¡lanzamiento probablemente no sea la palabra correcta!)
¿Utilizó la ecuación v1 = -u1 + 2u2 que se menciona en en.wikipedia.org/wiki/Gravity_assist#Derivation y, de ser así, puede dar los valores de v1,u1 y u2?
@Cornelis No. Para verificar y cuantificar las posibles ayudas de gravedad de Venus, utilicé un solucionador de problemas de Lambert para crear dos matrices 2D que contenían la salida y la llegada. v ∞ valores para cada 'tramo' de la trayectoria propuesta. En mi respuesta, el tramo 1 es la Tierra a Venus y el tramo 2 es Venus a Mercurio para un total de cuatro matrices 2D. Sin embargo, dos de estas matrices contienen la misma métrica, la v ∞ en venus....
@Cornelis ... Si busco en esas dos matrices una fecha en la que v ∞ son iguales, entonces un sobrevuelo hiperbólico de Venus podría ser posible para ese conjunto de 3 fechas (la fecha de sobrevuelo de Venus elegida que coincide v ∞ en Venus para el tramo 1 y el tramo 2 determinará las fechas de salida de la Tierra y llegada de Mercurio). La mayoría de los solucionadores de Lambert le darán una v ∞ vector (componentes x, y, z) .....
@Cornelis ... Puede usar Venus entrante (tramo 1) y saliente (tramo 2) v ∞ vectores para determinar el ángulo de deflexión hiperbólica ( 2 v en Wikipedia ) para el sobrevuelo. Usando esa ecuación de Wikipedia, puedes determinar el r pag valor necesario para que funcione el sobrevuelo asistido por gravedad. Obviamente si el r pag está debajo de la superficie del planeta o en la atmósfera, entonces el sobrevuelo asistido por gravedad no es posible.
@Cornelis Pondré esto en una respuesta a esta pregunta donde se puede digerir mejor (y tal vez algunas imágenes/ejemplos)

Una cosa a tener en cuenta es el equilibrio entre el uso de asistencias por gravedad, la alineación de los planetas en el lanzamiento y la duración de la misión.

En teoría, es posible utilizar múltiples pases de la Tierra, la Luna, Venus y Mercurio para proporcionar asistencia gravitatoria en una variedad de permutaciones. Las permutaciones aumentan aún más si se pueden aplicar cambios modestos deltaV en cualquier punto de la misión.

BepiColombo está utilizando una asistencia de gravedad de la Tierra, dos de Venus y seis de Mercurio y tardará 7 años. Incluso para una sola asistencia de gravedad de Venus, puede haber un retraso de tiempo considerable en el tránsito entre planetas. Es posible que la opción no esté disponible en algunos (o posiblemente en la mayoría o muchos años) y es probable que cada opción brinde un nivel diferente de beneficio según cuán óptima sea la alineación y otros factores.

https://en.wikipedia.org/wiki/Gravity_assist#Límites

Comenzando con el reabastecimiento de combustible en LEO, ¿cuánta carga útil podría una Starship protegida contra el calor aterrizar suavemente en Mercurio después de la asistencia de la gravedad de Venus?
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