Despliegue rápido de red cubesat con cañones Gauss

Digamos que quiero crear una constelación de satélites similar a la red GPS de la Tierra alrededor de la Luna o Marte con alrededor de 24 cubesats 4U-6U como se muestra en esta imagen:

constelación GPS

Me preguntaba si es posible / práctico lanzar estos pequeños cubesats en su inclinación orbital apropiada desde una órbita ecuatorial usando algún tipo de pistola de bobina magnética o "cañón Gauss".

Entonces, como un paso a paso, esto se vería así:

  1. La nave más grande se encuentra en una órbita ecuatorial circular de un planeta (o luna) y transporta un montón de pequeños satélites cúbicos y dos grandes aceleradores magnéticos.
  2. El barco apunta un cañón hacia el vector normal y el otro hacia el vector antinormal.
  3. Simultáneamente, dos cubesats salen disparados de los cañones (quizás dentro de un sabot) y los dos disparos cancelan la inercia.
  4. La nave más grande espera el momento adecuado y realiza esta maniobra una y otra vez hasta que todos los satélites se lanzan y posicionan.

Veo varias ventajas a este sistema como:

  • Los Cubesats pueden ser baratos y no necesitan un sistema de propulsión
  • Una red con muchos satélites se puede configurar muy rápidamente
  • El vehículo cañón se puede reutilizar.

Las preguntas:

  • ¿Es tal sistema factible y práctico en comparación con los métodos actuales?
  • ¿Podrían los cañones alcanzar la velocidad suficiente para establecer las órbitas correctamente?
  • ¿Cuál sería la precisión en tal sistema?
  • ¿Encontrarían los satélites calor extremo/acumulación magnética durante el lanzamiento o daños en los componentes electrónicos cuando se disparan debido al fuerte campo magnético? ¿Encerrarlos en algún tipo de sabot evitaría esto?
Si los cubesats no tienen propulsión, no podría insertarlos desde una órbita circular baja a una circular alta usando solo sus cañones gauss. Véase órbita de transferencia de Hohmann . Si los cubos se aceleran con un cañón de bobina corta, la alta aceleración necesaria los destruirá. Se necesitará mucha más masa estructural para evitar eso. Los cubesats pequeños no tienen la energía eléctrica para generar una señal de radio fuerte que se pueda recibir fácilmente en la superficie.
@Uwe, no estoy hablando de enviar los cubesats a una órbita más alta, su órbita final tendría la misma altitud orbital solo con una inclinación orbital de, digamos, 45 grados en lugar de ecuatorial. Además, estos satélites no estarían a la altitud GPS de la Tierra, sino a una órbita mucho más baja, por lo que creo que la potencia de transmisión definitivamente podría ser lo suficientemente alta.
Pero cambiar solo la inclinación orbital requiere mucha energía y una fuerte aceleración por parte del cañón de bobina. Las órbitas muy bajas requerirían muchos más satélites en más planos de órbita. Para determinar la posición, necesita recibir cuatro o más satélites al mismo tiempo. Cuanto más baja es la órbita, más satélites se necesitan.
@Uwe, creo que tienes razón: es completamente poco práctico y requiere una gran cantidad de energía. Vea mi respuesta a continuación.
Momento quisquilloso: si bien "cañón de Gauss" tiende a usarse como un término general para las pistolas electromagnéticas (sobre todo cañones de riel y cañones de bobina), técnicamente es un diseño temprano específico que utiliza imanes en colisión para impulsar un proyectil. Al ser bastante limitado, no se ha buscado mucho. Pero como casi nadie ha oído hablar de este diseño en particular de todos modos...

Respuestas (1)

¡He hecho las matemáticas! Aunque es posible, la energía instantánea requerida para hacer esto es una locura. Básicamente, necesitaría la fuente de alimentación de un portaaviones de clase Nimitz para alimentar la cosa o un gran banco de condensadores. Un cambio de inclinación orbital como este para un satélite de 5 kg requeriría alrededor de 16 megajulios de potencia o la equivalencia energética de alrededor de 400 ml de queroseno.

Cálculos

Tenga en cuenta que el cálculo asume órbitas circulares

Como puede ver, la capacidad de suministro de energía instantánea requerida es muy alta y diseñar una nave espacial que sobreviva a una aceleración tan extrema probablemente se volvería más pesada y, por lo tanto, frustraría el propósito de los satélites (ser livianos y fáciles de lanzar). Es mucho más fácil agregar los sistemas de propulsión adicionales para posicionar los satélites tradicionalmente.

Acelerar el cubesat a 336 km/s*s lo destruiría de todos modos. Para una aceleración tolerable, la longitud necesaria del tubo será de varios cientos a algunos kilómetros.
¿Por qué es la altura orbital sobre Marte?
@Raze simplemente agrega el radio de Marte al número ingresado. La mayoría de las descripciones de los satélites que orbitan alrededor de Marte se dan en altura orbital sobre Marte y me parece más fácil de visualizar.
+1para una respuesta cuantitativa! No hay nada realmente loco en un banco de condensadores. El desafío de hacer un satélite GPS operativo que pueda soportar una aceleración de 34 000 ge es probablemente mucho más allá de la capacidad actual, es posible que desee abordarlo en su respuesta.
@Uwe Literalmente estaba a punto de preguntar eso, gracias por la aclaración, pensé que RUD sería el resultado de cualquier cubesat disparado desde algo tan ridículamente poderoso. 34,332.8571g es bastante absurdo incluso para 0.0077s. Dudo que intentes un cañón de riel de 10 metros de todos modos.
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