¿Cuál es la forma más eficiente de combustible para salir del Sistema Solar?

Entiendo que con la tecnología actual no podemos simplemente volar en línea recta fuera del sistema solar, pero ¿qué salida necesitaría menos combustible?

Actualmente, navegar por el sistema solar es un baile alrededor de los planetas usando tirachinas, asistencia de gravedad y demás.

La trayectoria de Ground Tour de la Voyager 2 "utilizó" los primeros tres de los cuatro grandes planetas Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno, pero esto fue optimizado para el tiempo y terminó con una velocidad de escape mucho más que heliocéntrica.

Supongamos que, en cambio, el objetivo del ejercicio fuera alcanzar apenas la velocidad de escape heliocéntrica utilizando el combustible mínimo o delta-v, comenzando desde LEO, con mucha más flexibilidad en el tiempo, digamos aproximadamente 100 años desde el lanzamiento hasta lograr la velocidad de escape (C3 = 0) . Suponga que puede comenzar con la configuración óptima de los planetas dentro de sus órbitas.

¿Cómo sería esa trayectoria? ¿Seguiría usando estos cuatro planetas, o podría arreglárselas con menos? ¿Tendría sentido mirar hacia adentro, usando los cuatro planetas rocosos en su lugar?

Como pregunta secundaria, ¿siempre ayudaría tener aún más planetas presentes al salir?

Gran viaje de la Voyager 2

arriba: Voyager 2 Grand Tour. Fuente

abajo: Voyager 2 Grand Tour Velocidad heliocéntrica. Fuente

Voyager 2 Grand Tour Velocidad heliocéntrica

¿Dónde te gustaría ir fuera del sistema solar?
dirección _ "Camino" implica un 'camino de medios' IMO. Que usaría influencias de marea en una máquina de escala planetaria. Consumo de combustible: cero.
Esta es la segunda pregunta en unos días sobre cómo escapar del sistema solar. Me pregunto si hay algo específico por lo que deba preocuparme...
Todavía no entiendo qué estaba mal con el gif , aparte de que no muestra el sol subiendo y bajando en el plano de la Vía Láctea.
@DavidHammen He agregado algunas palabras y algunos gráficos más relevantes; muchos de nosotros todavía podemos beneficiarnos de recordar lo que realmente sucedió cinemáticamente en el gran recorrido. ¿Cómo se ve esta redacción?
@uhoh se ve hermoso.
La forma más eficiente de combustible para salir del sistema solar es sin combustible. Usa una vela solar.

Respuestas (3)

La forma más eficiente de combustible para abandonar el sistema solar en la actualidad es lanzarse en una trayectoria que (como la utilizada para Gallileo) bien puede implicar una o varias ayudas de la gravedad de la Tierra o Venus, pero que finalmente te lleva a Júpiter. Si puede llegar a Júpiter, es casi seguro que puede hacerlo de tal manera que una honda entre en una trayectoria de escape solar. Los encuentros con otros planetas después de eso son solo "la guinda del pastel" (se entra en una trayectoria de escape más rápida) y, como todas las hondas gravitacionales, existe un problema de rendimientos decrecientes. Cuanto más rápido vas, menos bien te hacen. De todos modos, el problema como se indica es básicamente el mismo que llegar a Júpiter.

La propuesta de la misión Trident ilustra una trayectoria de este tipo. El lanzamiento inicial es a una órbita de transferencia de Venus. Después de eso, utiliza la asistencia de la gravedad en Venus, la Tierra (dos veces) y Júpiter para llegar a Neptuno sin un consumo adicional significativo de combustible y a una velocidad que seguramente lo sacará del sistema solar.

Una pregunta relacionada es cómo hacer que el sistema solar funcione lo más rápido posible para un suministro dado de combustible (equivalente a un delta-V total dado). Todavía comienzas yendo a Júpiter. Luego, usa la gravedad de Júpiter para colocarlo en una órbita lo más energética posible, pasando tan cerca del Sol como sus sistemas pueden sobrevivir. Una vez allí, quema todo el combustible restante y luego navega por la costa. Puede ganar un poco de los encuentros con Júpiter y/o Saturno al salir, pero se está moviendo tan rápido que en realidad no importa.

El estudio de las Mil AU calculó que se podría lograr la salida del sistema solar interior a una velocidad de quizás 10-15 AU/año utilizando esta técnica con un gran lanzador de corriente. Una ventaja adicional es que puede salir en la dirección que desee. más o menos.

+1 eso dependería de qué tan cerca esté Venus de la Tierra. Si la escala del gif es correcta y usaste una línea recta, ¿cuál sería la salida más rápida?
@Muze revisa la trayectoria de la sonda solar Parker, excepto que en el punto de aproximación más cercano, en lugar de hacer ciencia, harías una quemadura. Sin embargo, me encantaría ver los números reales, dada una embarcación particular y un perigeo particular.
Si por alguna razón no desea realizar ninguna maniobra de pozo de gravedad, desea lanzar tangencialmente a la órbita de la Tierra para obtener el máximo beneficio de la velocidad orbital de la Tierra. Querrías lanzar a la medianoche para que la velocidad de rotación de la Tierra también se agregue. Pero esto sigue siendo mucho peor que pasar por un encuentro solar cercano.
@SteveLinton Leeré esto en profundidad, gracias de nuevo.
@Muze Cuál es la salida más rápida es casi seguro que no es la más eficiente en combustible. Venus es el lugar al que podemos llegar con la menor cantidad de energía y una vez que puedas llegar a otro mundo, puedes escapar jugando al billar, pero ese es un proceso lento a menos que todo esté perfectamente alineado para ti, como con las sondas Voyager.
¿Qué tal la opción Voyager/Grand Tour, donde la asistencia gravitatoria de Júpiter es seguida por la de Saturno, Urano y Neptuno? AFAIK, los Voyagers no usaron combustible (aparte de una pequeña cantidad para las correcciones a mitad de camino) una vez que se impulsaron desde la órbita terrestre. Llegar a Júpiter a través de las asistencias de Venus/Tierra podría hacerlo aún más eficiente en combustible.
@Muze, si cree que el camino más eficiente sería una "línea recta", entonces está bastante lejos de comprender cómo se mueven los objetos en el sistema solar. Lo suficientemente lejos como para que el tipo de respuestas que puede encontrar en un sitio web como este probablemente no sean útiles. Necesitas algo de aprendizaje de libros o algo de aprendizaje en el aula. ¡Buena suerte!
@jamesqf Todo depende de la cantidad de delta-V que tenga. Si llegas a Júpiter con suficiente combustible en el tanque, querrás usar ese combustible lo más cerca posible del Sol, entonces usas a Júpiter para ponerte en una órbita hiperbólica que roza el Sol (muy rápido) usa tu combustible allí para acelerar Una asistencia de gravedad de uno o más de los planetas gigantes en la salida sería la guinda del pastel, pero cuanto más rápido vas, menos útil es.
@jamesqf De Wikipedia : "La alineación particular ocurre una vez cada 175 años".
@JollyJoker: Cierto, pero el OP estaba pidiendo el curso más eficiente, no uno que pudiera tomarse de inmediato :-)
@Steve Linton: ¿Pero tener combustible para quemar cuando estás cerca del Sol es lo más eficiente en combustible? Puedo ver que sería más rápido, pero el Grand Tour (o incluso solo Júpiter-Saturno) usa solo combustible para impulsar la gravedad de la Tierra a Júpiter.
@SteveLinton, en realidad, desea lanzar en algún momento antes de la medianoche. La gravedad de la Tierra doblará tu trayectoria y querrás terminar en un camino tangente a la órbita de la Tierra. (El tiempo exacto depende de su relación empuje-peso y velocidad final).
@jamesqf Sí, supongo que si toma la pregunta literalmente como se le preguntó: cómo dejar el sistema solar (lo que sea que eso signifique ) con menos combustible, probablemente espere hasta el momento exacto , lance a Venus (posiblemente después de pasar algún tiempo usando la gravedad de la Luna para aumentar tu apogeo) y luego jugar al billar durante algunas décadas hasta que finalmente puedas tener un encuentro con Júpiter que pueda expulsarte del sistema solar. Muy poco combustible, pero muy, muy lento.
solo para tu información, el GIF original desapareció hace mucho tiempo. He mejorado la redacción de la pregunta, pero creo que no afecta su respuesta.

Si desea evitar la asistencia de la gravedad, la forma más eficiente de combustible para salir del Sistema Solar es lanzarlo hacia el este desde un sitio de lanzamiento en los Andes ecuatorianos, en algún momento antes de la medianoche local del 3 de enero cuando hay luna nueva. Esto le brinda el máximo beneficio posible del movimiento de la Tierra, dejando solo unos 12,000 m/s de delta-V necesarios por encima de la velocidad de escape de la Tierra.

(Cálculo aproximado: un Saturno V apenas podría poner a New Horizons directamente en una trayectoria de escape solar. Es por eso que usamos asistencia de gravedad en su lugar).

No funciona del todo un voto negativo ya que una simple edición solucionará esta respuesta. Sería mejor lanzar alrededor del tres de enero (perihelio de la Tierra) que el cuatro de julio (afelio de la Tierra). La ventaja de una mayor velocidad orbital supera la desventaja de estar más profundo en el pozo gravitatorio del Sol gracias al efecto Oberth.
@DavidHammen, ¿estás seguro de eso? En el afelio, obtengo una velocidad de escape solar de 41174 m/s y una velocidad orbital de 29290 m/s para una velocidad neta requerida de 11884 m/s. En el perihelio, obtengo una velocidad de escape solar de 42480 m/s y una velocidad orbital de 30290 m/s, para una velocidad neta requerida de 12118 m/s. La velocidad de escape reducida desde una órbita más alta compensa ligeramente la pérdida de velocidad orbital de la Tierra.
@Mark: bastante positivo. Estoy de acuerdo con todos sus números dentro de unos pocos metros por segundo, excepto la velocidad de escape en el afelio, que es baja en unos 600 m/s. Además, mira la ecuación de vis viva , v 2 = m ( 2 r − 1 a ) . Dado que la velocidad de escape v mi es v mi 2 = 2 m r , otra forma de escribir la ecuación vis viva es v mi 2 − v 2 = m a . La diferencia entre la velocidad de escape y la velocidad orbital es, por lo tanto, v mi − v = m / a v mi + v . El periapsis maximiza ambos v mi y v y por lo tanto minimiza la diferencia entre la velocidad de escape y la velocidad orbital.
Ahora, ¿cómo escapar por completo de la gravedad de Sol?
@DavidHammen, volví a hacer los cálculos y obtuve una velocidad de escape de afelio de 41 7 74. Parece que tienes razón.

Lanzar desde el lado oeste de la Tierra y tomar un curso de honda por el sol para un giro de aproximadamente 90 *, luego hacer otro honda más allá de Júpiter (quemando todo su combustible) sería, creo, la forma más eficiente de hacer esto. Los motores de iones y los espejos también serían el método de propulsión más eficiente, sin embargo, recomendaría usar motores LOXY comunes para entrar en órbita, y luego los motores de iones para romper la órbita y dirigirse hacia el sol. Funcionaría, si fueras a lanzar tu cohete hoy, a lo largo del camino orbital de los planetas...

Sin embargo, otra forma de hacerlo (nuevamente con la ayuda del sol) sería ir a LEO y luego establecer su periápside en el 'lado nocturno' de la Tierra. Luego, en el periápside, haz que tus motores funcionen a toda potencia hasta que el otro lado de tu órbita vaya al lado opuesto del Sol, y luego deslízate hasta que llegues al fondo y, de nuevo, a toda máquina. para cuando termine de acelerar, su apoapsis debería estar fuera del sistema solar.aceleración del sol

No hay forma de salir "directamente" del sistema solar sin ser acelerado y desacelerado. Las fuerzas gravitacionales siempre estarán actuando sobre ti, y hasta que llegues al punto donde la gravedad del cuerpo extrasolar más cercano sea más fuerte que la del sol, no estarás "fuera" del sistema solar.

La presión de la luz a la distancia de la Tierra del Sol es de aproximadamente 6 m PAG a . Una vela de aluminio de 50 nm de espesor (mucho más delgada y sería transparente) tiene una densidad de área de aproximadamente 1.3 × 10 − 4 k gramo / metro 2 por lo que sin carga útil aceleraría en 4 × 10 − 2 metro / s 2 (aproximadamente 4 mili gravedades). Para cuando alcanzara la órbita de Marte (ignorando la gravedad del Sol), se estaría moviendo a algo en el estadio de béisbol de 100 k metro / s . Entonces, sí, una vela solar muy delgada sin margen para aparejos o carga útil podría escapar del sistema solar.
@SteveLinton, lo bueno de las velas solares es que tanto la gravedad como la presión de la luz caen como el cuadrado inverso de la distancia. Si tienes una vela que proporciona aceleración a una distancia del Sol, proporcionará aceleración a todas las distancias del Sol.
@SteveLinton esta es otra respuesta. Pulgares hacia arriba.
@Mark: No todas las distancias, tal vez hasta que llegue a la heliopausa, ¿supongo?
@sampathsris, hasta que otras estrellas comiencen a interferir con él. La mayor parte de la fuerza en una vela solar proviene de la luz solar, no del viento solar, y eso no se detiene en la heliopausa.
Oh sí. Vela ligera. Me siento tonto ahora. :D
@Marca. Es cierto que la relación entre la presión de la luz y la gravedad permanece constante, pero la aceleración absoluta disminuye. Hay una velocidad máxima alcanzable por una vela ligera impulsada únicamente por la luz del sol que comienza en un punto dado.
Si estoy leyendo esto correctamente, esta definitivamente no es la forma más eficiente en combustible para salir del sistema solar. Ir al sol con una maniobra impulsiva directamente desde la tierra es significativamente más costoso que simplemente ir directamente a una trayectoria de escape. Desde LEO, se necesitan ~7 km/s de delta-V para tomar una trayectoria de escape fuera del sistema solar. Terminar en una trayectoria que se acerca al sol es del orden de ~20 km/s.
Esta no debería ser la respuesta aceptada. Como señaló @Kyle, sin la asistencia de la gravedad, es mucho más difícil acercarse al Sol que simplemente escapar del sistema solar. La gravedad ayuda a cambiar esta dinámica. La respuesta de Steve Linton es mucho mejor en este sentido.
@Kyle, estoy hablando de DEJAR el sistema solar por completo, dejar la órbita del Sol, separarse de la gravedad de todos los cuerpos de nuestro sistema solar.
@AndrewMaxwellRockets Yo también (solo llegar a escapar de la Tierra sería unos míseros 4 km/s). Para acercarte al sol tienes que deshacerte de casi toda la velocidad orbital de la Tierra, que está cerca de los 30 km/s (la cifra de 20 km/s es porque calculé una salida LEO y el efecto Oberth cerca de la Tierra ayuda). Para tomar una trayectoria de escape fuera del sistema solar, solo necesita alrededor del 41% de eso (la cifra de 7 km / s es para la misma salida que la anterior).
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