¿Es posible un relé de comunicación de sonda espacial?

¿Es posible mantener una conexión con sondas espaciales que están lejos enviando otras sondas espaciales detrás de ellas? Por ejemplo -

[tierra] ------1---- 2-------3--------4------5....y así sucesivamente si es necesario (se depende de la distancia a la tierra)

Estos 1, 2, 3, 4, 5 son sondas espaciales y se supone que deben pasar el comando que se les ha dado a la siguiente sonda.

Mi pregunta es, ¿es posible navegar o mantener una conexión con la última sonda de esa manera?

Sí, teóricamente. Todavía no se ha hecho, pero Breakthrough Starshot lo está investigando como una forma posible de facilitar la comunicación a escala de años luz con nanosats.
Con respecto a la gravedad, la masa no cambia de trayectoria: una sonda más pequeña tiene una fuerza menor debido a la gravedad, pero también tiene menos inercia y cambia de dirección más fácilmente, por lo que tendrá la misma trayectoria que una sonda más grande. Sin embargo, su menor inercia significa que el mismo impulsor lo acelerará a una velocidad mayor, aunque esta mejora se vuelve menos relevante ya que la masa de la sonda en comparación con el impulsor se vuelve despreciable.
@Deimophobia... Si se compara una sonda pequeña con una sonda más grande (ambas con los mismos impulsores), ¿cuál viajaría más rápido?
el más pequeño viajaría más rápido, pero si ambos son muy pequeños en comparación con el propulsor, la diferencia sería muy pequeña.
Las grandes antenas parabólicas de la DSN y los muy potentes transmisores de la Tierra no podían utilizarse para las estaciones repetidoras. La distancia máxima de una estación repetidora a la siguiente sería mucho menor que la distancia de la Tierra a Plutón.
@Uwe 😅 bueno, en ese caso, ¿se pueden usar muchas estaciones repetidoras solo para navegar la última?
@ user8278 Por cierto, su última pregunta ( Another question that I want to ask is that if the probes are small, will gravity affect them less, so they could travel fast?) debe hacerse en una publicación separada. Requerimos concentración en un tema enfocado por publicación.

Respuestas (2)

Ese no sería un buen enfoque, por varias razones, pero aquí me concentraré en el poder.

La intensidad de una señal disminuye proporcionalmente al cuadrado de la distancia, por lo que la sonda n.° 1, a la mitad de la distancia, tendría que transmitir el 25 % de la potencia que la Tierra para que las dos señales tengan la misma intensidad en la sonda n.° 2 . Es mucho más fácil poner un gran transmisor en la Tierra, donde podemos enchufarlo a la red eléctrica, que en una nave espacial donde tiene que ser alimentado por paneles solares o RTG.

Poniendo algunos números a esto, Deep Space Network puede enviar 20 kW, en comparación con unas pocas decenas de vatios en una nave espacial. 1

(El DSN también tiene platos de 70 m de diámetro, que permiten que la potencia se concentre en un haz mucho más estrecho que la antena de una nave espacial, lo que le da a la estación terrestre una ventaja aún mayor).

Vale la pena señalar: esto es válido para distancias de escala del sistema solar más algunas. Cuando se trata de distancias del orden de un año luz, una serie de relés puede ser mejor que una sola fuente poderosa. (Aún así, necesitarían fuentes de energía bastante fuertes, y estas, al ser pesadas, son difíciles de acelerar a velocidades que cubrirían años luz en un tiempo razonable).
Esta respuesta solo se aplica a la comunicación de la Tierra al satélite y, que yo sepa, no hay sondas que estén seriamente limitadas por el ancho de banda en esa dirección. Por otro lado, esta respuesta no se aplica a la comunicación del satélite a la Tierra, para lo cual es razonable considerar satélites de retransmisión de comunicaciones.

Una respuesta complementaria, en respuesta al comentario de @JessRiedel:

esta respuesta no se aplica a la comunicación del satélite a la Tierra, para lo cual es razonable considerar satélites de retransmisión de comunicaciones.

(citando porque los comentarios pueden desaparecer).

Hay dos problemas, a grandes rasgos: la dinámica orbital y la economía.

La dinámica orbital significa que no se puede mantener un satélite permanentemente a mitad de camino entre la Tierra y Júpiter. Después de unos años, los diversos movimientos orbitales bajo el efecto de la gravedad del Sol habrán movido las cosas, por lo que en realidad está más lejos de Júpiter que de la Tierra. Por lo tanto, cualquier relevo de este tipo es un solo disparo para una misión en particular durante un período relativamente corto, o necesita muchos de ellos espaciados alrededor de una órbita, lo que se está volviendo increíblemente costoso.

El problema económico es esencialmente una variante de las consideraciones de enlace ascendente en la respuesta de @djr: casi siempre es más barato actualizar las instalaciones en la Tierra que poner algo en el espacio lo suficientemente grande como para ser útil. Probemos algunos números: supongamos que ponemos un relé a mitad de camino entre la sonda y la Tierra. En la Tierra tenemos un plato de 70 m de muy alta calidad y amplificadores de última generación, potencia ilimitada para hacer funcionar esos amplificadores, helio líquido para enfriarlos, etc. Si nuestro relé está a mitad de camino entre la Tierra y el objetivo, y de alguna manera logra tener una antena propia de 70 m (masivamente más grande que cualquier cosa volada) de la misma calidad y amplificadores y procesamiento de señal igualmente buenos, cuadriplicará el ancho de banda de datos disponible. Alternativamente, podríamos hacer eso construyendo tres antenas más de 70 m en la Tierra y conectándolas (una tecnología bien desarrollada).

Lo que es útil y se ha hecho, es que un grupo de pequeñas sondas en la misma parte del sistema solar al mismo tiempo transmitan sus comunicaciones a través de una "nave nodriza". Significa que solo tiene que presupuestar la masa para una antena de 2 o 3 metros y un transmisor relativamente potente, una vez, y puede colocar el relé en una órbita en la que normalmente será visible desde la Tierra. Esto está sucediendo ahora para las misiones a Marte. Si hubiera una ráfaga de misiones al sistema de Júpiter, por ejemplo, valdría la pena el mismo enfoque: colocar un relé de comunicaciones en la órbita alta de Júpiter y hacer que todas las misiones se transmitan a través de él utilizando sistemas menos masivos y hambrientos de energía.

Gracias, esto es definitivamente útil. Siguiendo su lógica con respecto a las "naves nodrizas": parece que los repetidores valen la pena cuando la cantidad de sondas interplanetarias que operan en órbitas distantes (por ejemplo, el cinturón de Kuiper) excede la cantidad de satélites repetidores que necesita dispersos en órbitas intermedias (por ejemplo, entre Saturno y Urano). Suponga que necesita 10 satélites repetidores en las órbitas intermedias para garantizar que uno esté siempre en posición. Si hay 100 sondas dispersas en el cinturón de Kuiper, puede hacerlas todas más pequeñas en presencia de repetidores.
Tenga en cuenta también que debe haber un límite a su argumento con respecto a la economía, es decir, debe haber un régimen de parámetros en el que sea más económico mejorar la intensidad de la señal de la sonda que mejorar la sensibilidad de los receptores terrestres. (De lo contrario, las sondas transmitirían a niveles de potencia arbitrariamente bajos y construiríamos receptores titánicos en la Tierra). Presumiblemente, esto es algo así como "también podría aumentar la potencia de la señal emitida por la sonda hasta que sea comparable a la potencia de la sonda sin comunicación". requisitos".
@JessRiedel The Mother Ship es realmente solo una victoria cuando está MUCHO más cerca de todas las sondas que todas ellas de la Tierra. No estoy seguro de que realmente valga la pena tener un relevo a mitad de camino. Si lo piensas bien, eso casi nunca se hace en la Tierra, excepto donde la línea de visión es una preocupación.
¿Por qué sería eso? Es cierto que la ubicación óptima para la nave nodriza es estar cerca de todas las sondas cuando sea posible, pero cuando no lo es (por ejemplo, cuando las sondas están dispersas) es óptimo que el repetidor esté a mitad de camino. Y parece bastante claro que en el límite de las distancias extremas (por ejemplo, interestelares) los repetidores son mejores: la cadena de potencia total de los repetidores de separación fija escala linealmente con la distancia a la Tierra, pero el uso de energía por sonda no repetida escala cuadráticamente. Entonces, si no es útil en el sistema solar, debe deberse a detalles.
Considere también el límite extremo donde hay, digamos, millones de microsondas en el sistema solar exterior. Ahora considere si agregar un solo repetidor en órbita. Eso parece valer la pena incluso si por alguna razón se le prohibió repetir mensajes de sondas en sus inmediaciones.
Creo que el detalle importante es que es MUCHO más fácil/más barato construir una antena y un amplificador realmente grandes y de alta calidad en la Tierra que lanzar uno al espacio. Entonces, por cada mil millones de dólares gastados, obtienes más datos de las antenas en la Tierra, a menos que puedas colocar el primer relé mucho más cerca del origen de la señal.
Pero para cualquier tamaño de antena en la Tierra, la sonda necesita una potencia mínima y un tamaño de antena mínimo para ser escuchada. Afirmo, asumiendo suposiciones, que el tamaño mínimo total de la antena y la potencia total para una sonda y un repetidor, sumados juntos, es menor que para una sonda no repetida. Si puede hacer que la sonda sea aún más pequeña construyéndola a bajo costo en la Tierra, debe hacerlo, pero en algún momento obtendrá rendimientos decrecientes. En este punto, agregar repetidores es una victoria... pero solo si tiene tantas sondas compartiendo el repetidor que compense los múltiples repetidores que necesita (b/c de sincronización de órbita).
¿Es posible un relé de comunicación de sonda espacial?
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