Con la tecnología de propulsión Cubesat actual o del futuro cercano, ¿el mayor afelio alcanzable?

La tecnología de propulsión para cubesats y nanosatélites está en desarrollo activo, pero hay al menos algunos basados ​​en principios sólidos que probablemente se probarán en los próximos años. También hay algunas tecnologías de propulsores probadas en el tiempo que se utilizan en cientos de satélites ahora que, en principio, podrían diseñarse para instalar un cubesat.

Pregunta: ¿Cuál sería la mejor manera de diseñar (digamos) un cubesat de 3U, desplegado desde la ISS o un vehículo LEO de altitud similar, de modo que al menos una sección de 1U pueda alcanzar una órbita heliocéntrica con el afelio más alto posible (ya no está limitado al sistema Tierra/Luna) usando tecnología de propulsión compatible con cubesat actual o en un futuro cercano?

Si es útil, por ejemplo , podría ensamblarse ya en el entorno de microgravedad de la ISS y desplegarse suavemente desde allí, para ahorrar en la masa estructural que se habría necesitado para sobrevivir al lanzamiento desde la tierra. Las piezas también podrían imprimirse en 3D allí. El presupuesto para artículos tipo COTS es grande, y "el estante" está dentro de algunos años para permitir cosas que aún no están listas pero que probablemente lo estarán.

Por supuesto, se permite y fomenta un uso inteligente de la gravedad de la luna. Acabo de encontrar esta respuesta , que enlaza con esta página de la NASA: http://stereo.gsfc.nasa.gov/orbit.shtml . El primer video es una buena ilustración de lo útil que puede ser la luna.

Aquí hay un GIF hecho con los marcos de ese .movarchivo:

ANIMACIÓN DE FASE ESTÉREO

La parte 'al menos 1U' debe tener un sistema de energía mínimo para que pueda medir algo para verificar su distancia de afelio, una instantánea de cámara estelar de algunas posiciones de planetas, o simplemente una medición de la caída de 1/r^2 en la intensidad solar, o algo diferente.

Si la estabilización del giro ayuda, suponga que el método de despliegue puede establecer la actitud (apuntarlo) y girarlo si es necesario.

Si lo ensambla en la ISS, debe considerarse seguro ensamblarlo en la ISS. De lo contrario, tendrás que lanzar desde la Tierra a la antigua usanza.

Existen pequeños propulsores de iones adecuados para cubesats; Creo que un 3u sat frente a paneles solares puede entregar alrededor de 40 W, que es suficiente para impulsar un Busek BIT-1 busek.com/technologies__ion.htm , así que pensaría en ir por esa ruta, mucho mejor Isp y muy seguro de ensamblar en comparación con los propulsores de reacción química.
Las preguntas máximas de ingeniería generalmente son imposibles de responder sin hacer suposiciones restrictivas. Considere "¿qué tan rápido es el automóvil más rápido que podría construirse?"
Parece que con un Isp de la década de 2000 solo necesitas el 30% de tu masa para escapar de la Tierra, ¡el resto es por diversión!
@RussellBorogove Su punto está bien entendido: "al menos 1U" y "COTS en los próximos años" están destinados a tratar de abordar el dilema "en la medida de lo posible". Creo que puede haber una respuesta razonable, y lo haré. asegúrese de dar uno si nadie más lo publica.
+1 para una pregunta de ingeniería enfocada en lugar de "¿es ____ posible? ¿Por qué o por qué no?"

Respuestas (1)

Si tomamos la ruta del "futuro cercano", hay un par de proyectos de vela ligera que, en principio, tienen un afelio asintótico potencial casi ilimitado:

  • LightSail 2 es un demostrador de cubsat 3U. Permanecerá en órbita terrestre.

  • UltraSail son dos cubsats 1U con una vela de cinta común, que también permanecen en órbita terrestre.

  • Near-Earth Asteroid Scout es una misión planificada de la NASA a un asteroide, aunque podría no calificar para esta pregunta ya que (probablemente) será 6U y comienza en el espacio cis-lunar. Sin embargo, tiene algunas de las imágenes más inspiradoras:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Ninguno de ellos ha volado todavía, y ninguna de esas misiones cumple exactamente con el "desplegado desde la ISS o un vehículo LEO de altitud similar, de modo que al menos una sección de 1U pueda alcanzar una órbita heliocéntrica con el estándar de afelio más alto posible". Pero, a la espera del éxito, sí indican que puede haber una tecnología que podría (lentamente) poner en camino un vehículo 3U.

¡Maravilloso! Esta no es la solución que imaginé originalmente, pero usar una vela solar evita la necesidad de transportar y acelerar una masa de reacción. ¿Hay alguna forma de estimar aproximadamente a qué altitud una vela solar tendría más empuje que la resistencia atmosférica? ¿Serían suficientes los ~400 km de la ISS o tendría que desplegarse a mayor altitud?
La presión ligera y la presión de arrastre en un metro cuadrado perpendicular son aproximadamente iguales a 700-800 km, aunque el arrastre ciertamente varía debido a varias cosas. La Sociedad Planetaria ha realizado un trabajo de planificación de misiones sobre formas de utilizar la diferencia en la orientación de la luz frente a la resistencia para poder partir desde un verdadero punto de despliegue LEO. No estoy seguro del estado final de esos, pero una implementación más alta es definitivamente mejor.
Ya veo. Pasar de 400 a 800 km de altitud solo necesita un Δv de unos 220 m/s. A Isp de 200 segundos (solo por ejemplo), eso es solo una fracción de masa del 10%, por lo que llegar primero a 800 km no sería un gran desafío de propulsión .
Correo electrónico con un colega: parece que no recordé bien el trabajo de la Sociedad Planetaria. Se trataba de usar la actitud de la vela para optimizar el uso de presión ligera frente al viento solar, no la resistencia. Perdón por la confusion. Un despliegue más alto (quizás 1000 km para estar seguro) parece necesario para una trayectoria de escape.
Con la tecnología de propulsión Cubesat actual o del futuro cercano, ¿el mayor afelio alcanzable?
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