Las búsquedas repetidas en Google durante el año pasado, así como las búsquedas recientes de NTRS, AIAA y arXiv, no muestran signos de que alguien haya considerado seriamente una misión a Sedna. Me gustaría proponer un problema mental para explorar más a fondo cómo se puede diseñar esta misión.
Estos son los elementos de mi problema de Lambert:
Para mi vehículo, digamos que tengo un cubesat de 17U en el que de alguna manera me las arreglé para calzar un motor FEEP de aguja de indio capaz de un empuje máximo de 100 μN, y digamos que reduje mágicamente el paquete de potencia/ciencia/elementos estructurales para que mi la relación de masa es 50, y he acelerado mi Isp hasta 30,000. Mi masa orbital previa a la maniobra es de 500 kg.
¿Alguna posibilidad de llegar a Sedna para una captura orbital balística mucho antes del perihelio, con un poco de gasolina en el tanque?
Nota: además de una estimación de factibilidad, me interesa tener una idea sobre el flujo de trabajo del proceso de diseño de trayectorias, es decir, qué otras suposiciones se deben hacer, cuánto tiempo llevaría calcular, etc.
Una sonda de empuje de iones en un curso directo es una opción viable para un sobrevuelo. Necesita un delta-V total de alrededor de 70 000 km/h para un curso directo de aceleración-descenso-inercia. Un camino un poco mejor es un solo sobrevuelo no hohman. Esto se debe a que una sonda existente actual tiene suficiente delta-V para realizar el viaje en el marco de tiempo especificado con la tecnología actual y con las cargas de combustible actuales. (Teniendo en cuenta que la sonda en cuestión se quedaría sin combustible cuando se quedara sin energía).
La nave espacial Dawn tiene una acumulación de vector esperada total de 38.000 kph, o alrededor de 10,4 kps (space.com), mientras que los datos de efemérides de la Voyager 2 (theskylive.com) muestran una velocidad relativa solar de 15,4 kps. Una sonda lanzada en 2020 podría, para un sobrevuelo, usar un lanzamiento directo para llegar a Sedna; tenga en cuenta que esto pondría el perihelio en aproximadamente 35 años de tiempo de viaje sin un motor más eficiente ni más combustible relativo que la nave espacial Dawn. La sonda Dawn, al reemplazar uno o dos instrumentos con combustible adicional, probablemente podría llegar a rumbo directo con combustible para desacelerar, pero carecería de la potencia para utilizarlo.
La aproximación de primer orden es suficiente para los propósitos de desarrollo de la misión inicial: no soy ingeniero y no se necesita el cálculo real, ya que la mayor parte del viaje sería por inercia.
El Reactor Nuclear Topaz era teóricamente capaz de funcionar durante 5 años con sus 12 kg de combustible, en una masa total instalada de aproximadamente 350 kg, produciendo 5 kWe. Esto es adecuado para operar los Dawn Thrusters. Más reciente
El cubesat es imprácticamente pequeño. Sin embargo, tiene un buen tamaño para una carga científica mínima. Dawn tiene 425 kg de combustible, unos 90 kg de unidades en una nave espacial de 1200 kg; necesitaría al menos 4 kWe para impulsar los impulsores de iones en el otro extremo.
Esto nos brinda un perfil de misión razonablemente lanzable: mediante el uso de energía solar para la salida y el arranque remoto de la planta de fisión para la fase de desaceleración, podemos obtener un mayor rendimiento de lanzamiento. Al reducir los instrumentos de la misión, también podemos aumentar la carga de combustible.
Necesitamos alrededor de 450 kg de planta de energía, alrededor de 100 kg de unidades, alrededor de 50 kg de apoyo a la navegación, alrededor de 100 kg de estructura. Esto significa que podemos obtener alrededor de 600 kg de combustible, y tenga en cuenta que asumo combustible de repuesto para un reactor nuclear un poco más eficiente y una mejora del 6% sobre la eficiencia del propulsor NStar.
La velocidad orbital de Marte es de alrededor de 23 kp/s; un sobrevuelo marciano debería poder proporcionar 5 kps o más, y redirigir para el vuelo directo de ida, con solo un retraso de 6 meses más o menos.
600 / 425 ≅ 1,41
38 000 * 1,41 ≅ 53640 kmh ∆V combustible total
53640 / 2 ≅ 26820 kmh velocidad de tránsito (reducción a la mitad para la desaceleración al final)
Esto es aproximadamente 5577 horas por AU, o 232 días por AU, o 0,637 años por AU
necesitamos un impulso: podemos obtener un 50% adicional de un sobrevuelo/redireccionamiento de Marte. Lo que nos da alrededor de 155 días por AU, o alrededor de 0,42 años por AU.
76 * 0,42 ≅ 31,9 años. Necesitamos duplicar los tiempos de aceleración y desaceleración.
Entonces, modifiqué hohman a mars para redirigir, y luego directamente a sedna, frenando en los últimos años.
Dawn tiene una aceleración de 2100 días...
2100 * 1,41 ≅ 2960 días o alrededor de 8,1 años en cada extremo
, aproximadamente 40 años de tiempo de viaje.
esta aproximación de primer orden dice que podríamos lograrlo, y está lo suficientemente cerca como para que sea práctico para alguien más hábil en cálculo que yo calcular los efectos gravitacionales, de sobrevuelo y de aceleración. También he sido extremadamente conservador al ignorar la velocidad inicial de la Tierra de 6,28 AU/año. Además, se puede obtener un pequeño impulso adicional de un sobrevuelo lunar en el lanzamiento. Entonces, poder aproximarse.
La sonda de la pregunta original no es lo suficientemente grande para el hardware actual necesario; Estoy trabajando con la tecnología actual "lista para usar", solo extrapolando un suministro de combustible de 40 años para el reactor nuclear (a 350 kg para el reactor durante 5 años y 12 kg por 5 años adicionales, observando que la vida media para el el combustible del reactor supera los 10^7 años... La sonda, una vez en la estación, podría funcionar con una eficiencia de combustible reducida durante varios años más.
Una sonda adecuada del tamaño de la sonda Dawn podría colocarse en la estación con componentes listos para usar y una ingeniería cuidadosa, además de una variación de una planta de energía clasificada para el espacio existente. La sonda de la pregunta original es inverosímil.
Pasaría por Júpiter, me lanzaría hacia el Sol y haría un cohete químico rápido en el perihelio. Con una velocidad razonable de 2,2 km/s en un perihelio de 0,3 AU, puedo llegar a Sedna en 50 años. (5,5 años para llegar al Sol, 44,5 años para Sedna).
A 0,3 AU, necesito soportar once veces la intensidad solar que se ve en la Tierra. Solar Probe está diseñado para tolerar más de 600 veces la intensidad.
Tal vez debería acercarme. Puedo reducir la quema a 1,3 km/s con un perihelio de 0,1 UA.
Es posible que un objeto con la constante de Jacobi L1 de Júpiter tenga un semieje mayor que varíe ampliamente. Y algo con la constante L2 de Jacobi de Júpiter podría encontrar su camino hacia la L1 de Saturno. Etc. Pero cambiar el semieje mayor a través de perturbaciones repetidas generalmente requiere muchos pasajes. El perihelio de Sedna es de aproximadamente 76 UA. Un viaje de Hohmann de 1 UA a 76 UA tardaría 120 años. Y un viaje que dependa de repetidas perturbaciones planetarias para su delta V tomaría mucho más tiempo. Un viaje de 56 años a Sedna vía ITN no me suena plausible. Una relación de masa de 50 con un ISP saludable podría ser suficiente (dado que no sé cómo modelar un empuje bajo constante, no puedo decirle sí o no). Pero no estoy seguro de que eso sea lo que Lo et al tienen en mente cuando hablan del ITN.
Creo que la mejor manera de llegar a Sedna es mirar las naves espaciales que ahora están en velocidad de escape solar.
New Horizons fue la primera nave espacial lanzada directamente en la trayectoria de escape solar. Sin embargo, la nave usó una asistencia de gravedad de Júpiter. Alcanzará las 100 UA del Sol en 32 años, pero lo más probable es que no funcione después de 2026, cuando se quedará sin energía.
Las Voyager 1 y 2 usaron múltiples asistencias de gravedad para alcanzar su velocidad actual. La Voyager 1 alcanzó las 100 UA del Sol alrededor de 2006, después de 29 años de vuelo. La Voyager 2 alcanzó esa distancia en 2012, después de 35 años desde su lanzamiento. Ambas naves siguen funcionando, pero apenas pueden potenciar su carga útil científica.
La nave espacial Pioneer también usó asistencias de gravedad de Júpiter y Saturno. Se supone que ambas naves están a más de 100 UA del Sol desde 2014. Sin embargo, se perdió el contacto antes de que alcanzaran esta distancia.
Como se vio arriba, es posible alcanzar la órbita de Sedna en menos de 30 años. Sedna estará más cerca en 60 años, pero la diferencia no será mucha (menos del 10% de la distancia actual). Entonces, podríamos lanzar una sonda ahora en lugar de esperar.
Como New Horizons nos mostró, es posible enviar una nave espacial directamente a la velocidad de escape solar. Sin embargo, podemos usar asistencias por gravedad, para reducir el tiempo de vuelo.
Cada 12 años, Júpiter está en el lugar para una asistencia de gravedad de Júpiter .
Cada 29 años, Saturno está en su lugar para una asistencia de gravedad de Saturno .
Cada 59 años, tanto Júpiter como Saturno se colocan para una doble asistencia de gravedad .
Una misión de sobrevuelo llegaría a Sedna en 20 a 30 años. Sin embargo, enviar un orbitador o una sonda de aterrizaje será muy difícil, si no imposible.
Enviar un sobrevuelo a Sedna es casi como el sobrevuelo que New Horizons realizó a Plutón. Podemos usar el mismo diseño de nave espacial, solo que necesitaremos un RTG (generador termoeléctrico radiactivo) mucho más eficiente, para que siga funcionando después de 30 años. La sonda realizará un sobrevuelo rápido, luego pasará unos años enviando todos los datos a la Tierra. Este tipo de misión es factible y asequible con el presupuesto actual de la NASA.
Si enviamos un orbitador a Sedna, tenemos dos formas: primero, debemos reducir la velocidad para entrar en órbita. En segundo lugar, podemos enviarlo a una velocidad muy baja, suficiente para entrar en órbita. El primer método requerirá cantidades gigantescas de propulsor y aumentará drásticamente el peso de la nave en el momento del lanzamiento. Una alternativa es utilizar un motor iónico, impulsado por el RTG del barco, para reducir la velocidad en los últimos 10 años antes del encuentro. Sin embargo, la cantidad de energía todavía disponible en ese momento es limitada. Enviar una sonda con poca velocidad podría ser una solución, pero llegará a Sedna en 100 años. En ese momento, su RTG habría disminuido la producción de energía a un nivel muy bajo y, de todos modos, no habrá nadie del equipo de construcción para ver los resultados.
Enviar un módulo de aterrizaje a Sedna es incluso más complicado que un orbitador. Sin embargo, si realizamos un sobrevuelo rápido, podemos usar un impactador , similar al que usa la misión Deep Impact. Esto al menos nos permitirá obtener una imagen cercana de la superficie y ver la composición del subsuelo en el lugar del impacto.
Una misión similar a New Horizons, pero con un RTG más poderoso, eventualmente con la ayuda de los sobrevuelos de Júpiter y Saturno, podría llegar a Sedna en 20 a 30 años.
Devolución de muestras de Sedna
Incluso si esto no es factible con la tecnología actual, es un tema muy interesante. ¿Es posible enviar una misión de devolución de muestras de Sedna?
Para obtener una respuesta, debemos mirar a las misiones espaciales que ya se han lanzado.
Diseño del vehículo: la nave espacial debe contener un orbitador y un módulo de aterrizaje. El módulo de aterrizaje alcanzará la superficie de Sedna, tomará una muestra y regresará. Debe tener suficiente propulsor para aterrizar y regresar. El orbitador debe usarse como un relé de comunicación con la Tierra y debe tener suficiente propulsor para regresar a la Tierra. El orbitador también debe tener un RTG, lo suficientemente fuerte como para funcionar hasta 100 años.
Para ello, deberíamos fijarnos en las naves espaciales Rosetta y Philae de la ESA. Sedna tiene una gravedad baja, pero probablemente no tenga atmósfera. Por lo tanto, necesitamos propulsor tanto en el aterrizaje como en el lanzamiento, pero no en una cantidad demasiado grande. No conocemos la velocidad de escape de Sedna, pero la de Plutón es 1,2, 10 veces más pequeña que la de la Tierra. Philae tenía 100 kg. Nuestro módulo de aterrizaje tendrá probablemente 250 kg, con todos sus tanques de combustible llenos de hidracina.
El orbitador tendrá que inspeccionar y mapear Sedna, luego desplegará el módulo de aterrizaje, luego esperará, luego capturará el módulo de aterrizaje y regresará a casa. Rosetta tenía de 1500 a 2000 kg, pero New Horizons solo 500 kg. Necesitaremos la nave espacial más ligera para conservar la hidracina.
El módulo de aterrizaje puede funcionar con batería. El orbitador necesitará un RTG. El plutonio utilizado en un RTG tiene una vida media de más de 80 años, pero los termopares no viven tanto. Básicamente, la energía producida por un RTG se reduce a la mitad en unos 25 años. La misión llevará probablemente 100 años, por lo que la producción de energía disminuirá a menos del 10%. Esto significa que, sin al menos 100 kg de plutonio, una misión de retorno de muestras es imposible. Podría ser posible usar un RTG vacío de respaldo para reinsertar plutonio en él. La sonda, con módulo de aterrizaje y sin su combustible, no debe pesar más de 1000 kg.
El vehículo incluirá un módulo de aterrizaje, un orbitador, pero también una gran cantidad de combustible necesario para disminuir la velocidad de la nave, y también el combustible necesario para enviar la sonda de regreso a la Tierra. Es posible que tengamos que enviar al espacio un total de 5000 kg.
Lanzar. La única forma de enviar al espacio una nave espacial tan grande es con el uso de algunos de los cohetes más grandes que existen. Un Atlas V difícilmente sería suficiente.
Trayectoria. Enviar la sonda directamente a la velocidad de escape solar está fuera de discusión. Tenemos que aprovechar las ventajas de Júpiter y los posibles sobrevuelos de Saturno. Si es posible, un sobrevuelo de Marte o la Tierra también es útil. Esto también resultará en un tiempo más largo para llegar a Sedna. Tomará en el mejor de los casos 40 años.
Fase de Aproximación a Sedna. La sonda se acercará a Sedna a alta velocidad, probablemente 15 km/s. A esa velocidad, es imposible ser capturado en órbita. Tenemos que disminuir la velocidad de alguna manera. El uso de motores químicos convencionales está fuera de discusión debido a la gran cantidad de combustible que se necesita. La única solución será un motor iónico. Como nos ha demostrado Dawn, con 400 kg de xenón, consiguió producir un empuje total cercano a los 10 km/s. Entonces, es posible, si el RTG produce suficiente energía, disminuir la velocidad de 15 km/s a 1 km/s en 12 años.
Barco de bonificación. Una misión adicional que puede beneficiarse de un encuentro con Sedna es un sobrevuelo rápido. Podemos agregar una tercera nave espacial, con su propio RTG y un conjunto de instrumentos científicos, que se separará de la nave principal antes de disminuir la velocidad. La nave de bonificación seguirá moviéndose con la misma velocidad y pronto llegará al entorno interestelar. Su masa puede ser de 300 kg, poco comparado con los 5000 kg que ya se necesitan.
Fase de la órbita de Sedna. Una vez en órbita, la sonda entrará primero en una órbita de gran altitud para buscar lunas y caracterizar el sistema Sedna. Al igual que hizo Dawn en Vesta y luego en Ceres, nuestra sonda entrará en órbitas más cercanas, cartografiando el planeta enano y, en la fase final, buscando un lugar para el módulo de aterrizaje. Finalmente desplegará el módulo de aterrizaje que tendrá unos días para aterrizar, explorar la superficie, perforar, tomar muestras y regresar. Para regresar al orbitador, el módulo de aterrizaje deberá realizar maniobras de alta precisión. La fase de órbita probablemente tardará 5 años en completarse.
Al final de esta fase, la nave espacial deberá desprenderse de todo el peso innecesario. Esto podría incluir gran parte de su carga útil científica, tanques de propulsor vacíos, el módulo de aterrizaje (excepto el tanque que contiene muestras) y RTG usados.
También es posible hacer que toda la nave espacial aterrice en Sedna, sin necesidad de un módulo de aterrizaje especial. Sin embargo, esto hará que se necesite más combustible.
Fase de retorno. Sedna tiene una gravedad baja. Como se muestra arriba, la velocidad de escape de Plutón es un poco superior a 1 km/s. Para Sedna, es probablemente 0,7. La velocidad orbital es de sólo 1,07 km/s. así, una nave espacial sólo necesitará un empuje de 2 km/s para desprenderse de la superficie de Sedna y alcanzar una velocidad de 0 km/s relativa al Sol. En ese momento, la gravedad solar hará todo el trabajo y llevará a la nave en una trayectoria hacia el Sol. La órbita resultante no será una línea recta, sino algo que se parecerá más a la trayectoria de un cometa a largo plazo.
A medida que la sonda se acerca, su velocidad aumentará gradualmente. Se moverá muy lentamente hasta la órbita de Neptuno. Para acelerar el proceso, los motores iónicos deberían utilizar casi todo el xenón restante para aumentar la velocidad. De lo contrario, podría tardar 400 años en llegar a la Tierra. Nadie desea esperar tanto tiempo. Entonces, debemos acelerar la nave a por lo menos 10 km/s.
A medida que la sonda pasa por la órbita de Neptuno, su velocidad aumenta rápidamente. En la órbita de la Tierra, la nave espacial puede moverse a 30 km/s más rápido que la Tierra. Puede volverse imposible aterrizar en la Tierra con una velocidad tan grande. Para reducir la velocidad, la mejor opción es usar un sobrevuelo de Júpiter y posiblemente otros sobrevuelos.
Aterrizaje en tierra. La fase final de la misión es un aterrizaje en la Tierra. En ese momento, después de casi 100 años, el RTG producirá solo una cantidad muy pequeña de energía. Muchos dispositivos no funcionarán. Tal vez, sería una buena idea tener a bordo un pequeño panel solar, para proporcionar la energía necesaria para la fase final de la misión. La nave espacial realizará sus maniobras finales de corrección de trayectoria, luego separará el tanque que contiene muestras de Sedna. Solo las muestras regresarán, aterrizando suavemente con la ayuda de un paracaídas. La nave espacial entrará en una órbita solar o se quemará en la atmósfera.
Conclusión de la misión: Después de 100 años de viaje y con grandes costos, la misión devolverá a la Tierra una muestra de Sedna. Probablemente habrá muestras de la superficie, materiales perforados a unos pocos metros de profundidad y una muestra atmosférica (si Sedna tiene alguna). Además, la sonda puede traer muestras de polvo adquiridas a lo largo del viaje.
Hay un gran problema con esta misión. En Sedna, muchas rocas sólidas pueden ser, de hecho, gases en la Tierra. Sabemos por Plutón, que su corteza está hecha casi en su totalidad de sustancias que en la Tierra deberían ser gases o líquidos. Las rocas traídas de Sedna deberían derretirse o incluso evaporarse. En el laboratorio, los científicos tendrán grandes problemas para analizar las muestras. El largo tiempo necesario y la degradación de las muestras, junto con los altos costos de la misión, son las razones por las que una misión de devolución de muestras a Sedna es inviable.
PD: Ninguna nave espacial ha volado durante tanto tiempo y nadie ha diseñado dispositivos electrónicos complejos capaces de operar durante 100 años. Una misión a Sedna requiere que todos los dispositivos sigan funcionando después de muchos años. Además, para la fase de regreso, debemos asegurarnos de que las computadoras de navegación, los motores, el RTG y las ruedas de reacción funcionen bien hasta el final de la misión. Una misión de devolución de muestras estará en alto riesgo porque no tenemos suficiente tiempo para probar todos los sistemas y subsistemas.
Además, hay muchas cosas desconocidas. Nadie sabe cuál es la masa y la gravedad de Sedna. Debemos diseñar la nave con la masa estimada más alta, para asegurarnos de que tenemos suficiente propulsor. Y, como no sabemos la masa exacta, no hay manera de saber cuánto combustible quedará para la fase de retorno. Si tenemos más combustible disponible para la fase de regreso, podemos obtener nuestras muestras más rápido, pero tendremos que volver a calcular la ruta de regreso y el sobrevuelo de Júpiter para disminuir la velocidad.
Además, dado que no conocemos la masa, no sabemos cómo entrar en órbita. Todos estos parámetros desconocidos significan que muchas partes de la misión deberán calcularse rápidamente y solo cuando la nave llegue a un punto determinado. No habrá mucho tiempo para estimaciones y planes de respaldo. Las poderosas computadoras en la Tierra deberían decidir qué hacer en cuestión de horas.
El retraso en la comunicación es grande debido a la distancia. No habrá mucho tiempo para analizar problemas. Puede ser muy bueno programar la nave para encontrar automáticamente la mejor trayectoria.
david hamen
Jerard Pucket
Jerard Pucket
david hamen
Hobbes
Jerard Pucket
LocalFluff
Loren Pechtel
Jerard Pucket