Delta-v de la superficie de Mercurio a la superficie de Venus

Lo que dice en la lata: utilizando la oportunidad de lanzamiento más eficiente que ofrece la mecánica orbital, ¿qué delta-v tendrías que impartir a una carga útil para enviarla desde la superficie de Mercurio hasta estrellarse contra la superficie de Venus?

Respuestas (2)

Asumiendo órbitas coplanares circulares, la Inserción Trans Venus (TVI) está a 8 km/s de la superficie de Mercurio. Eso es con despegue horizontal y sin pérdida de gravedad. Eso es para la transferencia de energía mínima de Hohmann.

Salir de la transferencia Hohmann y aterrizar suavemente en Venus tomaría 11,9 km/s si Venus no tuviera atmósfera. Pero mucho, tal vez todos esos 11,9 km/s podrían lograrse mediante el aerofrenado.

Usé mi hoja de cálculo de Hohmann para obtener estos números.

¿A qué te refieres cuando dices "sin pérdida de gravedad"? Mis cálculos sugieren que 8 km/s no sería lo suficientemente rápido, pero podría estar malinterpretándolo.
@barrycarter durante el ascenso vertical, la gravedad se resta del empuje del cohete. Esa es la pérdida de gravedad. La trayectoria que muestra en su respuesta no es Hohmann, por lo que tomaría más delta V que la elipse de energía mínima. No he examinado tus matemáticas. Utilizo la ecuación de Vis Viva, un método muy utilizado en mecánica orbital.

Si lanza desde el lado de Mercurio más alejado del Sol, paralelo al horizonte en la dirección de la órbita de Mercurio a 13 km/s cuando el ángulo Mercurio-Sol-Venus es de 53 grados, su carga útil llegará a Venus en 35 días, y su camino se vería así (cada punto negro = 1 día). ADVERTENCIAS IMPORTANTES DEBAJO DE LA IMAGEN.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Esto realmente no responde a su pregunta, ya que no estoy seguro de que 13 km/s sea la velocidad mínima requerida. También hice varias suposiciones simplificadoras (quizás demasiadas), por lo que la respuesta anterior no es exacta.

Aquí está el guión de Mathematica muy comentado que escribí, que también explica las simplificaciones que hice.


(* cleaned up and well-commented version for SE *)

(*

I assume that Mercury's orbit is planar, and that Venus' orbit lies in
the same plane, or at least intersects it at the appropriate time.

This allows me to use a two-dimensional equation for acceleration due
to gravity, instead of a 3 dimensional one.

The equation (below) is the acceleration imparted to an object of mass
m1 at {x1,y1} by an object of mass m2 at {x2,y2}, given that the
gravitational constant is g.

Note that the mass of the object being accelerated (m1) is actually
irrelevant; however, I include it as a parameter for symmetry

*)

accel[{x1_,y1_},{x2_,y2_},m1_,m2_,g_]=g*m2/Norm[{x2-x1,y2-y1}]^3*{x2-x1,y2-y1}

(* 

The mass, semimajor axis, period, and radius of Mercury, in kg, m (not
km), and s

*)

mercsma = 57909050000;
mercper = 87.9691*86400
mercrad = 2439700
mercmass = 3.3011*10^23

(* solar mass, in kg *)

sunmass = 1.98855*10^30

(* gravitational constant of universe, in kg-m-s system *)

g = 6.6740*10^-11

(* 

Heliocentric, so Sun is always at origin. In theory, the positions of
the other planets (eg, Jupiter) could help boost your payload, so you
might be able to launch with a lower speed than I find below

*)

sun[t_] = {0,0}

(*

I assume Mercury's orbit is circular. Since the actual orbit is
elliptical, you could get a boost for your payload by launching it
when Mercury's distance from the Sun is increasing the fastest (in
other words, solar radial velocity is greatest)

I've chosen the x axis to be the line connecting the Sun to Mercury at time 0.

*)

merc[t_] = {Cos[t*2*Pi/mercper],Sin[t*2*Pi/mercper]}*mercsma

(*

I also ignore Venus' own gravity: you can do slightly better by noting
that Venus will pull the payload towards itself once the payload gets
close enough.

I do want to plot Venus' orbit, so I use the semi-major axis and
period values below.

Venus' starting angle (vsa below) was found by trial and error to make
sure Venus was at the right place when the payload crossed its orbit.

*)

vensma = 108208000000
venper = 224.701*86400;
vsa = 53*Degree;
ven[t_] = {Cos[t*2*Pi/venper+vsa],Sin[t*2*Pi/venper+vsa]}*vensma

(*

If we launch from side of Mercury furthest from the Sun, the payload's
starting position will be Mercury's position plus Mercury's radius in
the x direction

NOTE: This start position is completely arbitrary; you may get better
results by starting at different positions on Mercury's surface.

*)

s0 = {mercsma+mercrad,0}

(*

The initial velocity of the payload (with respect to the Sun) will be
Mercury's velocity + whatever velocity (delta v) we impart to the
payload.

Note that both the direction I choose for initial velocity (in the
same direction as Mercury's orbit) and the magnitude are
arbitrary. You may get better results by aiming the payload at a 45
degree angle or straight up or something.

NOTE: If I change 13000 to 12500 below, Mathematica will refuse to
solve the differential equation. This doesn't necessarily mean 13000
is a minimal velocity, but there is apparently some sort of important
change between 12500 m/s and 13000 m/s

*)

v0 = merc'[0] + {0,13000}

(*

Mathematica won't close-form integrate this problem, so we integrate
numerically, which requires a start time (0) and an end time (below).

I chose 35 days after confirming that's how long it takes the payload
to reach Venus.

*)

timelimit = 86400*35;

nds = NDSolve[{s[0]==s0, s'[0] == v0,
 s''[t] == accel[s[t],sun[t],1,sunmass,g] + accel[s[t],merc[t],1,mercmass,g]
},s,{t,0,timelimit}]

(* The use of [[1,1,2]] below is just Mathematica nesting weirdness *)

g= ParametricPlot[{nds[[1,1,2]][t],merc[t],ven[t]},{t,0,timelimit}, 
 Mesh -> timelimit/86400, AxesOrigin->{0,0}, PlotStyle -> {Blue,Red,Green},
 MeshStyle -> {Black}
]
Para una energía mínima, creo que quieres que llegue a Marte como llegó al lado opuesto del sol desde donde fue lanzado. En otras palabras, quieres una órbita elíptica con perihelio en Mercurio en el lanzamiento y afelio en Marte.
¿Quiso decir Venus? ¿Y todavía no estoy seguro de que sea correcto? ¿No sería afelio para Mercurio y llegar a Venus en el perihelio para una distancia orbital mínima recorrida?
Quise decir afelio en Venus. Mercurio está más cerca del Sol, por lo que tiene que ser el perihelio. Esta es la órbita de energía mínima que conecta los dos puntos.
Oh, ¿quieres decir que la carga útil debe asumir una órbita elíptica donde Mercurio es su perihelio y Venus es su afelio? Todavía no estoy seguro de que eso sea cierto, ya que ignora la propia gravedad de Mercurio.
@barrycarter Fuera de las esferas de influencia planetarias, la órbita de transferencia se modela como una elipse con un foco en el centro del sol. Dentro de la esfera de influencia planetaria, la órbita se modela como una hipérbola con un foco en el centro del planeta. La velocidad de una hipérbola es s q r t ( V mi s C 2 + V i norte F 2 ) . Esta es la aproximación de las cónicas parcheadas.
@barrycarter La elipse de energía mínima (también conocida como Hohmann) tendría perihelio en Mercurio y afelio en Venus.
Estoy votando esto hacia abajo. Un Mercurio a Venus Hohmann tardaría unos 76 días. Desde la superficie de Mercurio, la inserción en una órbita de Hohmann llevaría menos de 13 km/s.
@HopDavid Entonces, ¿está diciendo que la órbita de Hohmann tomaría más tiempo, pero requeriría una velocidad inicial más lenta?
@barrycarter Sí.