Estimación del tiempo de viaje de ITS a Marte de Elon Musk

¿Qué tiene de especial el ITS que haría que el tiempo de viaje fuera mucho más corto? ¿Existe hoy en día el método de propulsión descrito?

La manifestación actual del ITS es Starship , y las estimaciones de rendimiento de dicho vehículo se han reducido considerablemente desde que se reveló públicamente el ITS (es un vehículo muy diferente, aunque no una comparación de manzanas con manzanas). El sistema de propulsión en todas las manifestaciones de ITS/BFR/Starship no es precisamente revolucionario. Utiliza motores de cohetes químicos de la misma manera que lo hicieron las misiones Apolo hace más de 50 años (aunque con diferentes propulsores y una eficiencia de masa y costo significativamente mejor). El almacenamiento, la transferencia y el uso eventual en el espacio a largo plazo de propulsores criogénicos es un factor clave de las visiones de SpaceX para Starship, y esta no es una tecnología bien explorada (aunque la transferencia en el espacio de fluidos a temperatura ambiente es una rutina).).

La singularidad de una Starship con combustible completo (cuando está en órbita) radica en sus capacidades de maniobra ($\Delta V$). Usando la ecuación del cohete y las especificaciones actuales de Starship:

• 100t de carga útil + 120t de masa seca + 1200t de propelente + 380s$I_{sp}$ $\to$ $\Delta V$= ~$6900m/s$, resulta que esto no era un meme

Aquí hay un diagrama de chuleta de cerdo para la ventana de transferencia de la Tierra a Marte ~ 2028 sujeta a$\Delta V<6.9$ $km/s$:

Lo que demuestra que 80 días no es del todo posible. el impresionante$\Delta V$of Starship hace maravillas para expandir el ancho de una ventana de transferencia, pero la tiranía de la ecuación del cohete dicta que no puede acortar significativamente el período de transferencia.

FWIW, aquí está la relación de$\Delta V$a$C3$para este ejemplo (se supone una órbita de estacionamiento de 250 km). La región en gris es el rango típico de C3 para naves espaciales enviadas a Marte:

Probablemente el término clave aquí es parcela de chuleta de cerdo . La página vinculada incluye una de 2005 para Marte, donde la salida C3 más baja fue de 15,5 y 400 días más o menos, pero al duplicar eso a 30 se obtuvo una transferencia en 125 días, al salir de la Tierra más rápido y quemando más energía al llegar.

Para las cargas útiles científicas, generalmente tiene sentido usar la carga mínima de combustible y empacar tanto equipo como sea posible y esperar los días adicionales.

Para los humanos, necesitan comer y respirar, por lo que hay que hacer cálculos eliminando consumibles y agregando combustible. En la parcela de chuletas de cerdo de 2005 al pasar de 15,5 C3 a 16 se accede a un nuevo mínimo en la parte inferior de la parcela, bajando de 400 a 200 días, y empujando a 16,5 se llega a 175 días. Entonces, para los humanos, la transferencia físicamente óptima probablemente nunca sea la mejor opción, solo se convierte en una cuestión de compensaciones.

Con SpaceX, después de haber hecho de Starship la solución todo en uno para Marte, tienen un escudo térmico que es (con suerte) lo suficientemente robusto como para volver a entrar en la Tierra, y tiene suficiente rendimiento para alcanzar la órbita terrestre por derecho propio (muchos diseños de Marte asumen ion motores). Por lo tanto, tienen un diseño que es consumible/espacio limitado pero tiene un rendimiento adicional para la salida y capaz de aerofrenado/aerocaptura en Marte, lo que hace que el enrutamiento de alta energía sea más posible que para un vehículo más grande pero de menor empuje/menos robusto.

Posiblemente, la nave espacial más crítica usa metano y oxígeno criogénicos, por lo que todos los días en el espacio pierde algo por evaporación. Entonces, Starship tiene más opciones para quemar combustible en la salida para un tránsito más rápido o tener que llevar más combustible de repuesto para compensar una mayor evaporación.

Es posible que el tránsito de 90 días esté siendo forzado por la evaporación en lugar de una característica real del diseño. Por el momento (enero de 2022 antes del primer vuelo suborbital de Starship) no hay suficiente información disponible para que los forasteros apliquen matemáticas útiles a la pregunta.