¿Cuál es el diseño de trayectoria menos energético para enviar suministros no tripulados a Marte?

Tanto Mars One como la NASA han sugerido enviar naves de suministro no tripuladas a Marte como parte de una misión o colonización tripulada. Estas cargas útiles pueden tomar todo el tiempo que deseen, sin estar limitadas por los límites de tiempo de exposición a la radiación humana. En cambio, lo que desea minimizar es el total Δ v necesario para llegar a Marte.

Puedo pensar en dos posibilidades que ya se han utilizado:
1) quemaduras múltiples al estilo MOM en el perigeo, que culminan en una inyección transmarciana.
2) Tirachinas lunares , quizás en múltiplos.

Es posible que estos dos enfoques se puedan combinar. También podría haber otras posibilidades, como comenzar con una transferencia de baja energía a EML-2, que aparentemente es la más baja . Δ v destino en el espacio local .

¿Cómo minimizas Δ v llegar a Marte?

EDITAR: como señala Mark Adler, es muy posible que sea más eficiente usar propulsión eléctrica, lo que requeriría una mayor Δ v pero daría como resultado una masa de lanzamiento más baja. Sin embargo, para evitar que esta pregunta sea demasiado amplia, supongamos que está utilizando un motor de alto empuje. Tal vez más tarde descubra cómo formular correctamente la pregunta subyacente: "¿Cuál es la forma más económica de enviar 1000 kg a Marte?"

Las maniobras de cambio de fase estilo MOM no disminuyen el Δv requerido, pero se realizan debido a las limitaciones de los motores para dar todo el Δv requerido en una quema finita. El Δv total sumado en todas las quemas subsiguientes sumará la misma cantidad. ¿O no lo es?
@KuldeepBarad, todas las quemaduras múltiples tienen lugar en el perigeo, la parte más rápida de la órbita y, por lo tanto, aprovechan el efecto Oberth
Esta perspectiva de maniobras de fase y disminución en el Δv total debido a encendidos posteriores a mayor velocidad que uno solo estaba totalmente fuera de mi perspectiva, incluso después de haber conocido el efecto Oberth. ¡Gracias!

Respuestas (4)

¿Cómo minimizas Δv para llegar a Marte?

La respuesta es simple: espere hasta 2018 o 2035. Esos son los mínimos locales en el Δv necesario para llegar a Marte. El mínimo requerido Δv varía en gran medida. Hay un mínimo local aproximadamente cada dos años en el que las transferencias a Marte se vuelven factibles, pero incluso esta cantidad varía considerablemente. Hay una variación de ~15 años además de este ciclo de ~2 años.

Llegar a Marte puede costar mucho si eres extremadamente persistente en cuanto a llegar a Marte ahora mismo. El Δv disminuye drásticamente si está dispuesto a esperar un par de años. El Δv cae por otro factor de dos además de esa disminución ya drástica si está dispuesto a esperar un par de décadas.

No me di cuenta de que los mínimos de transferencia de Hohmann en ciclos de 2 años variaban tanto. Supongo que cualquier trayectoria más exótica también estaría vinculada de alguna manera a ese ciclo.
@JerardPuckett: el problema con esas trayectorias exóticas es que esto requiere que la propia nave espacial aplique el Δv necesario. Con una trayectoria "estándar", la salida Δv la proporciona el vehículo de lanzamiento y su etapa superior, y la llegada Δv la proporciona principalmente la atmósfera de Marte. La nave espacial en sí necesita muy poca capacidad de Δv, pero solo si la nave espacial no tiene que seguir una trayectoria exótica.
Este mínimo de energía está relacionado con la 'Oposición' de Marte con la Tierra, supongo, que ocurre aproximadamente cada 780 días.
Podría ser útil agregar un enlace al Navegador de trayectorias de la NASA . Por ejemplo, esta consulta muestra bastante bien las fechas mencionadas en mi humilde opinión, o puede seleccionar incluir todas las trayectorias y luego el gráfico se vuelve realmente original en colores y oscilación :)

No creo que esa sea realmente la pregunta que quieres hacer. Las trayectorias de energía más baja son las que sugieres, que logran la mayor parte de la energía para llegar a Marte con quemaduras impulsivas cortas muy cerca de la Tierra. Eso requiere sistemas de propulsión térmica nuclear o química que pueden gastar gran parte del propulsor en muy poco tiempo.

Lo que desea para la carga de Marte son trayectorias de bajo empuje que le permitan utilizar sistemas de propulsión eléctrica mucho más eficientes. Esos consumen más energía y Δ V en general que aquellos que pueden usar el efecto Oberth, pero a pesar de eso requieren una masa de lanzamiento más baja debido a la muy alta yo s pags .

Sí, el dilema de empuje bajo versus empuje alto estaba en el fondo de mi mente mientras formulaba la pregunta, pero no quería que la pregunta fuera demasiado amplia. En última instancia, lo que está tratando de minimizar es realmente el costo por kg de llevar la carga útil a Marte.
Aunque esto ahora no responde la pregunta editada, lo dejaré ser. Ver la respuesta de David Hammen.

Según este reciente artículo de Scientific American , existe una forma más económica de llegar a Marte que la tradicional transferencia Hohmann . El diseño de la misión se basa en una captura balística para eliminar la quema de inserción orbital de Marte.

La premisa de una captura balística: en lugar de apuntar a la ubicación en la que Marte estará en su órbita donde la nave espacial se encontrará con él, como se hace convencionalmente con las transferencias de Hohmann, una nave espacial se lanza casualmente a una órbita similar a la de Marte para que vuele adelante. del planeta Aunque los costos de lanzamiento y crucero siguen siendo los mismos, se elimina la gran necesidad de reducir la velocidad y dar en el blanco marciano, como en el escenario de Hohmann. Para la captura balística, la nave espacial navega un poco más lento que el propio Marte mientras el planeta recorre su vuelta orbital alrededor del sol. Marte finalmente se acerca sigilosamente a la nave espacial, enganchándola gravitacionalmente en una órbita planetaria.

ingrese la descripción de la imagen aquí
Estructura de las transferencias de captura balística a Marte.

Como esto agrega al menos varios meses al tiempo total de viaje, probablemente no sea la mejor apuesta para misiones tripuladas, pero para posicionar previamente sus 100 toneladas métricas de agua y equipos de construcción en la órbita de Marte, debería funcionar bien.

Tengo un par de advertencias sobre el artículo de Scientific American. El autor dice que "captura balística" es sinónimo de "transferencia de baja energía", mientras que AFAIK la primera es simplemente un subconjunto de la última. Además, parece implicar que este enfoque elimina por completo la ventana de lanzamiento de varios días cada dos años, pero el documento en realidad solo establece que la ventana de lanzamiento es más flexible.

El artículo subyacente es Edward Belbruno & Francesco Topputo, Earth-Mars Transfers with Ballistic Capture (2014)

Lectura adicional:
Walter Hohmann, The Attainability of Heavenly Bodies (Washington: NASA Technical Translation F-44, 1960) Koon, Lo, Marsden & Ross, Dynamical Systems, the Three-Body Problem and Space Mission Design (2006)

Teniendo en cuenta el tiempo de transferencia externa Tierra-Luna de alrededor de 3-6 meses en transferencia de baja energía, tales trayectorias de Marte serían más que solo meses, supongo.
@KuldeepBarad es muy posible que haya soluciones de Δv mucho más largas y más bajas, pero esta solo se trata de la inserción orbital. No se abordan las fases de inyección y crucero transmarciano.
Sabes, tenía esto abierto desde Navidad, pero no pude hacerlo. :)
@TildalWave genial, un enlace en línea a una imagen :)
@JerardPuckett ¡Ese es el espíritu! ¡ Feliz caza del sombrero "Bill Lumbergh" ! ;)
@JerrardPuckett No sé exactamente cómo, pero se puede optimizar un valor de la constante de energía de jacobi para elegir una geometría múltiple de tránsito desde cualquier lugar en órbita, lo que brinda flexibilidad para lanzarlo con oportunidades que ocurren con relativa frecuencia. Ver enlace para tales oportunidades en órbita de estacionamiento para transferencia lunar de baja energía
@JerardPuckett Consulte la página 15 del artículo de Belbruno Toppotu al que se vincula. Las quemaduras de afelio rondan los 2 km/s. Si la quema se realiza en lo profundo del pozo de gravedad de Marte, la quema de captura puede ser tan baja como 0,7 km/s. La captura balística es en realidad más cara en términos de delta V. Por 1,3 km/s

Además de las posibilidades descritas en su publicación, también puede aprovechar el hecho de que (gran simplificación más adelante) las órbitas alrededor de los puntos de Lagrange son posibles, pero muy inestables, lo que le permite "elegir la inestabilidad que desea" y dejar el punto de Lagrange en casi cualquier dirección, sin necesidad de mucho combustible. La desventaja es que esas trayectorias pueden tomar mucho tiempo. Consulte wiki: Red de transporte interplanetario y transferencia de baja energía para obtener más detalles.

Los puntos EML pueden muy bien ser útiles para lograr una inyección transmarciana. ¿Qué pasa con los puntos SEL y SMarsL? ¿Se pueden utilizar para disminuir la Δ v presupuesto requerido por una simple transferencia de Hohmann?
De acuerdo con los artículos de wiki mencionados en la respuesta, podrían serlo. Pero no sé los números reales.
¿Cuál es el diseño de trayectoria menos energético para enviar suministros no tripulados a Marte?
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