¿Es factible una nave tripulada impulsada por Solar Sail desde la órbita terrestre hasta la órbita lunar?

Trato de hacer una serie de preguntas, pero estoy dividiendo el punto general en "fragmentos" más fáciles para no hacer que la pregunta general sea demasiado amplia.

Pregunta 1: Diseño de una nave para la transferencia de la Tierra a la órbita lunar.

Situación: Mover tres personas y/o suministros a la órbita lunar.

Asumir:

  • Para facilitar los cálculos, digamos que la masa del vehículo es de 31 000 kg (masa similar a la SM y CM del Apolo 11), incluida la masa de la vela solar.

  • La órbita terrestre inicial es LEO, digamos 600 km (para reducir en gran medida la resistencia en lugar de estar en los niveles de la ISS), y la órbita final alrededor de la Luna será de 300 km (también similar a la órbita del Apolo 11).

  • Según wikipedia: una vela de 800 x 800 m generaría 5 newtons (1,1 lbf) de fuerza.

  • O esperando que alguien pueda usar los cálculos de empuje que se aplican:

    F = 2 R S A C pecado 2 ⁡ θ = 9.113 × 10 − 6 R A D 2 pecado 2 ⁡ θ
    Dónde, F es el empuje; R es la fracción de luz incidente; D es la distancia al Sol en unidades astronómicas; S el flujo solar en W / metro 2 ; C la velocidad de la luz; A la superficie vélica en metro 2 y θ el ángulo de inclinación de la vela (a través de la publicación de Chris R.: Cálculo del empuje de la vela solar )

Preguntas:

  • ¿Qué tamaño tendrían que tener las velas para impulsar la nave desde la Tierra hasta la órbita lunar con un tiempo de respuesta de 5 días (el Apolo 11 tardó 4 días, 6 horas y 45 minutos)? (pregunta secundaria relevante: cuál sería la masa de la vela en sí, restar eso de la masa total supuesta de 31,000 kg)

  • ¿Sería factible este método para realizar la órbita de transferencia?

  • ¿Podría este viaje ser repetible? Como en, ¿podrían regresar de la órbita lunar a la de la Tierra? - POSIBLEMENTE RESPONDIDO por TidalWave (ver comentarios)

Sé que hay problemas como este viaje, como la protección contra la radiación, solo se puede hacer en ciertos momentos, etc. Lo que espero es básicamente probar o refutar una hipótesis personal sobre la viabilidad y sostenibilidad de una vela solar. fines de envío. Más sobre lo que se envía en otra pregunta :)

Traté de hacer esto lo más conciso y completar tantas variables como pude para que aquellos que están más informados con estas cosas y las matemáticas (eso me está dando un dolor de cabeza LOL) puedan tener una opción más fácil. Si no expliqué algo lo suficientemente claro o si necesita que complete más variables, puedo hacer todo lo posible para hacerlo. Gracias de antemano a los que respondan :)

¿Qué hay de las órbitas cicladoras que podrían ser sostenidas, en lugar de establecidas por velas solares? Creo que son posibles las órbitas de "visita" Tierra-Luna de 5 días con asistencia de gravedad (IIRC, he visto algunos cicladores lunares de 6 patas por período sinódico en alguna parte, con una órbita en forma de roseta ... aquí hay uno de 5 patas como un ejemplo), y las velas podrían usarse para reactivar la órbita del "castillo" por las pérdidas durante el "rodaje".
Gracias de nuevo por el formato, primer día aquí, sigo aprendiendo. La nave estaba destinada a conectar una estación espacial en órbita terrestre con otra en órbita lunar, por lo que tendrían que atracar y transferir personal y carga. Eliminé ese aspecto de la pregunta porque agregaba demasiadas variables. Así que lo simplifiqué para incluir solo la viabilidad de la propulsión de la nave de la Tierra a la Luna. Quizás simplifiqué demasiado. Las órbitas de retorno asistidas por gravedad serían sustancialmente más fáciles en el vuelo de regreso. Parece que me he olvidado del bueno de Newton una vez más. Gracias.

Respuestas (1)

¿Qué tamaño tendría que tener la vela para una transferencia de cinco días? Demasiado grande. Las velas solares normalmente no son muy útiles para aumentar su semieje mayor cuando orbita un cuerpo que no sea el Sol (por ejemplo, la Tierra). Esto se debe a que cuando viaja alejándose del sol, la presión solar lo acelerará, y cuando viaje hacia el sol, lo ralentizará, por lo que el resultado neto es 0. Eso no es estrictamente cierto, pero puede hacer que una vela sea mucho más útil si tiene un control activo sobre su actitud. Por ejemplo, tenga la vela perpendicular a la presión solar cuando se aleje, pero paralela cuando se acerque. Aún así, la presión de la radiación solar es pequeña.

La inyección translunar requiere unos 3 km/ s delta V. La presión de la radiación solar es de unos 10 micro newtons/metro cuadrado . Suponiendo que tiene un giro de 5 días, deberá obtener toda la fuerza requerida en ese tiempo. Su embarcación pesa 31.000 kg, así que tenemos la masa. De F=ma podemos ver que como a=dV/dt, F=31,000 x 3000/(5 x 24 x 3600) que es 215N de fuerza constante. No demasiado alto, considerando. Sin embargo, el área de la vela es Fuerza/Presión = 215/10E-6 = 215E5 o 21.500.000 metros cuadrados. Eso es grande, 49 veces el tamaño de la ciudad del Vaticano . Eso también tiene un montón de suposiciones que hacen que esta estimación sea más baja que el valor real (como 100% de presión en la dirección correcta, sombra cero, delta V mínimo).

Ahora para la masa. Si lo fabricamos con kapton bastante delgado , digamos de 0,1 micrómetros de espesor, entonces estamos buscando un material razonable para el trabajo. El peso de la vela sería de 0,0000001 x 21500000 x 1420 ( densidad de kapton ), entonces solo estamos hablando de una masa de unos 3000 kg. Razonable. Excepto cuando considera que el verdadero impulsor de masa en los sistemas de vela es la estructura. Hasta el 99% de la masa es estructura. Si ese es el caso aquí, entonces estás hablando de 300.000 kg. Y eso es más grande que la masa de su sistema. ¡Ups!

¿Es factible? No. ¿Podría regresar usando este método? Sí. Si tiene control de actitud.

Bueno, también podría arrojar un análisis dimensional más específico para el peso de la estructura de soporte. Si es de una construcción de tipo "paracaídas", entonces las correas pueden hacer el trabajo. Divida 215 N por la fuerza específica de Kevlar, y luego suponga que necesitará al menos 3 ataduras, cada una de las cuales es tan larga como la vela es ancha, entonces eso solo le da alrededor de 1 kg de kevlar. Pero eso es una subestimación deliberada que utiliza amarres increíblemente delgados e ignora la mayoría de las necesidades estructurales dentro de la vela misma. También aumenta la masa de la vela debido a los ángulos más bajos.
@AlanSE Realmente no pude. No sin una declaración del problema mucho más precisa. Supuse que la vela es plana en la parte trasera de la nave. He trabajado en una vela de arrastre en esta configuración y, en términos generales, la masa de los 4 brazos de soporte utilizados superó al kapton por un factor tan grande. Sin embargo, puedo decir que un paracaídas probablemente no funcionaría. Los paracaídas solo mantienen su forma debido al constante arrastre atmosférico, una vela solar no tendría forma de desplegarse si fuera como un paracaídas. Al liberar el Kevlar, no se extendería.
Los ángulos de la luz del sol al menos, en teoría, mantendrían su forma. Ese nivel de análisis de equilibrio de fuerzas no es el problema. Ciertamente puede desplegarse con estrictamente esas consideraciones. Las fuerzas de marea son probablemente más grandes que la presión de los fotones, por lo que me cuesta pensar en una versión práctica para el concepto de OP.
@AlanSE El segundo punto que mencioné fue que una vela de paracaídas nunca tomaría la forma. Por lo general, con un paracaídas, tiras de la cuerda y se abre, luego es arrastrada por la fuerza del aire. En el espacio, si suelta un objeto de su nave espacial pero lo mantiene atado con una cuerda, permanecerá justo fuera de su nave. No se moverá y estirará la cuerda. Si eventualmente se aleja, comenzaría a oscilar, causando problemas complejos de movimiento.
Releer su respuesta me hizo pensar: al contrario de lo que está escrito, las velas solares deben poder impulsarse a sí mismas y a una embarcación adjunta. Las sondas japonesas Akatsuki e IKAROS fueron propulsadas con éxito a través de una vela solar (aunque creo que también tenían un motor probado de forma más convencional y estaban más cerca del Sol que de la Tierra). No niego que mi pregunta aquí no sea posible (o práctica), pero he pensado en una nueva pregunta debido a esta respuesta. Gracias por las respuestas FraserOfSmeg y AlanSE.
@Alexinawe Las velas solares pueden actuar desafiantemente para cambiar la órbita de una nave espacial. El problema principal con su pregunta es el límite de tiempo de 5 días. Este límite de tiempo obliga a que la vela sea enorme. Si pudiera esperar 5.000 días, el tamaño de vela requerido sería 1/1000 de los valores que calculé. 22 km ^ 2 no es genial, pero es mucho más factible.
~3 km/s TLI es adecuado para una quemadura impulsiva de alto empuje para inyección a una transferencia Hohmann. Este tipo de combustión necesita motores químicos, las velas solares o los motores de iones no pueden hacerlo.
Con propulsión de bajo empuje, la órbita es más una espiral que una elipse y el delta total V es aproximadamente v órbita de salida - v órbita de destino. Las espirales lentas toman más delta V que las elipses de Hohmann.
¿Es factible una nave tripulada impulsada por Solar Sail desde la órbita terrestre hasta la órbita lunar?
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