¿Es más eficiente pasar por alto LEO cuando se lanza a Venus o Marte?

No. No es más eficiente eludir LEO. No puedes evitar salir del pozo de gravedad de la tierra.

2,9 km/s es lo que se necesitaría para entrar en una órbita de transferencia de Marte si la nave estuviera fuera del pozo de gravedad de la Tierra moviéndose a 30 km/s en una órbita circular de 1 UA. (1 AU o una unidad astronómica es la distancia promedio de la tierra al sol).

Entonces, de nuevo, 2,9 km/s es lo que se necesita para pasar de una órbita centrada en el sol a la órbita de transferencia de Marte centrada en el sol. Los pozos de gravedad planetaria ni siquiera se consideran en ese número.

Desde el punto de vista de la Tierra, la órbita de salida es una hipérbola y esa velocidad de 2,9 km/s es la Vinfinity de la hipérbola . No hay forma de evitar el delta V para salir del pozo de gravedad terrestre.

Y una quemadura horizontal es la mejor manera de lograr ese Vinfinity. Cada segundo que estás empujando verticalmente, estás perdiendo delta V debido a la pérdida de gravedad.

La fricción atmosférica impide que una nave alcance la velocidad orbital en la superficie terrestre. Entonces, un cohete asciende por encima de la espesa atmósfera antes de girar hacia un lado y hacer la mayor quema horizontal.

Una vez por encima de la atmósfera, sería posible hacer una sola quemadura horizontal importante que logre TMI (Trans Mars Insertion). Pero en algún momento durante ese encendido, la nave tendrá una velocidad de 7,7 km/s con un ángulo de trayectoria de vuelo cercano a cero. En ese momento se podría decir que la nave está en LEO.

Prácticamente todas las naves espaciales pasan a través de LEO durante algún punto de su trayectoria de vuelo. De la estimación del rendimiento del vehículo de lanzamiento por John Schilling :

La técnica de Townsend comienza suponiendo que todos los lanzamientos espaciales consisten en un ascenso directo a una órbita de estacionamiento circular baja, seguido de una serie de maniobras en órbita hasta la órbita de destino final. De hecho, muchos vehículos de lanzamiento vuelan solo en una trayectoria de ascenso directo, incluso a una órbita alta o no circular. Sin embargo, una observación de estas trayectorias casi invariablemente encuentra el vehículo de lanzamiento, a una altitud de unos pocos cientos de kilómetros, acelerando casi horizontalmente a través de la velocidad de la órbita circular local. Se puede simplificar el problema tratando esto como una "órbita de estacionamiento" instantánea, alcanzada por ascenso directo, y con todos los vuelos propulsados ​​posteriores tratados como una "maniobra en órbita".

Antzi y uhoh tienen razón en que pasar un rato en LEO da tiempo para hacer controles y preparación. También partir de LEO es la mejor manera de hacerlo cuando se considera delta V.

Sí.

Considere un caso simplificado de un escape directo frente a una salida de la órbita de estacionamiento de un cuerpo sin aire y que no gira utilizando maniobras instantáneas. La forma más eficiente de llegar a la órbita de estacionamiento es una horizontal inicial$\Delta V$en la superficie para obtener una órbita con un apoapsis en la órbita de estacionamiento, seguida de una circularización$\Delta V$en apoapsis para elevar el periapsis a ese mismo radio. Luego salga de la órbita de estacionamiento para escapar con un tercero.$\Delta V$. Reste de eso un escape a la misma velocidad en el infinito directamente desde la superficie con un solo$\Delta V$.

Obtengo que la diferencia es:

dónde$\mu$es el$GM$del cuerpo,$r$es el radio de la superficie,$e$es la excentricidad de una hipérbola de escape tangente a la superficie, es decir$e=1+{C_3 r\over\mu}$, y$q$es la altitud de la órbita de estacionamiento como una fracción de$r$.

Para un escape de la Tierra a Marte con$C_3\approx 10\,\mathrm{{km}^2/s^2}$,$e\approx 1.16$. Para$100\,\mathrm{nmi}$órbita de estacionamiento,$q\approx 0.03$. Luego obtengo, usando la Tierra$\mu$y$r$, que el costo de ir a la órbita de estacionamiento en lugar de un escape directo es de aproximadamente$74\,\mathrm{m/s}$.

Sobre$58\,\mathrm{m/s}$de eso es la quemadura de circularización, con el resto$16\,\mathrm{m/s}$siendo efectivamente una pérdida del efecto Oberth debido a un escape desde una altitud superior.

Un vehículo de lanzamiento llegará a una órbita de estacionamiento más directamente, pero solo puede costar más$\Delta V$. En cuanto a la atmósfera, puedes imaginar el vehículo de lanzamiento saliendo de la atmósfera de la misma manera a las mismas condiciones iniciales en, digamos,$60\,\mathrm{nmi}$altitud, y comparando el escape directo con una órbita intermedia de estacionamiento a partir de ahí.

Que$74\,\mathrm{m/s}$es bastante pequeño en comparación con el total de$\Delta V\approx 11,600\,\mathrm{m/s}$. Los beneficios de una órbita de estacionamiento intermedia superan fácilmente este pequeño costo, tanto en términos de flexibilidad de tiempo como en términos de alinear la asíntota saliente con respecto a la latitud de lanzamiento.

La única vez que tengo conocimiento de una consideración real de un escape directo fue para una misión a Marte en la que estaba trabajando usando un Ariane V antes de que tuvieran reinicios calificados en la etapa superior. Si no puede reiniciar la etapa superior, entonces no puede usar una órbita de estacionamiento.