¿Hubo algún vehículo de lanzamiento posible que podría haber sido utilizado para un New Horizons más pesado con suficiente combustible para entrar en la órbita de Plutón? (añadiendo ~10 años)

New Horizons tenía una masa de lanzamiento de 478 kg, de los cuales 77 kg eran propulsores, pero solo alrededor de 47,5 kg eran para cambios de rumbo, y el resto se reservaba para control de actitud. New Horizons se lanzó a una velocidad de 16,26 km/s, lo que lo colocó en una trayectoria de escape del sistema solar. Luego también recibió un impulso de velocidad del sobrevuelo de Júpiter.

Requisitos de combustible

El presupuesto de propulsor de New Horizon le dio una capacidad delta-V de "más de 290 m / s". Su propulsor de hidracina tiene un ISP (eficiencia) de alrededor de 220 segundos . Para entrar en órbita, normalmente usaría una transferencia hohmann en lugar de una trayectoria de escape que usa NH. Eso significa que la nave espacial se lanzaría un poco más lento, de modo que se detendría casi en seco al llegar cerca de Plutón. Plutón mismo, sin embargo, está viajando en su órbita alrededor del Sol, y para igualar su velocidad con el fin de orbitarlo, se necesita un delta-V de alrededor de 3000 m/s , alrededor de diez veces más que NH. Tenga en cuenta también que una transferencia de Hohmann a Plutón toma 45 años en lugar de los casi 10 años que tomó New Horizons.

La cantidad de combustible necesaria escala exponencialmente con su delta-V requerido. Usando el mismo combustible, NH necesitaría 1300 kg para entrar en la órbita de Plutón. Tal vez un poco menos si usa la asistencia de gravedad de Caronte, pero Plutón y Caronte no son muy grandes, por lo que no te ayudarán mucho con la gravedad. Pero para una misión de inserción en órbita, una sonda normalmente no usaría monopropulsor de hidracina, sino un bipropulsor más eficiente. Galileo y Cassini utilizaron bipropelente MMH-NTO para sus propulsores principales. Cassini tenía un ISP de 312 segundos, y usando eso, NH necesitaría 'solo' alrededor de 720 kg de combustible para hacer la inserción en órbita. Tenga en cuenta que estoy ignorando la masa adicional de los tanques de combustible más grandes y el propulsor más pesado.

En lugar de una transferencia Hohmann, NH también podría haber tomado una transferencia bielíptica. Esos tardan mucho más, no he hecho el cálculo pero probablemente estemos hablando de mucho más de un siglo aquí. De acuerdo con este gráfico, una transferencia bielíptica podría reducir el delta-V necesario hasta en un 7,5 % cuando el tiempo que toma se acerque al infinito. (nota: r₂/r₁ de la Tierra a Plutón es aproximadamente 30). Esto reduciría el combustible requerido de 720 a 640 kg.

¿Se podría haber hecho?

El Atlas V 551 fue el segundo vehículo de lanzamiento más potente que existía en ese momento. El único más capaz fue el Delta IV Heavy. Por supuesto, si el contrato fuera lo suficientemente jugoso, alguien podría haber diseñado un nuevo cohete de carga súper pesada, o simplemente resucitado el Saturno V. Crear cohetes más grandes es relativamente sencillo. Entonces, con suficiente dinero, una misión orbital New Horizons ciertamente era posible. Sin embargo, la NASA tiene un presupuesto limitado, y eso no habría sucedido solo para una sonda de Plutón.

El Delta IV es un poco menos del doble de poderoso que el Atlas en lo que puede levantar. Sin embargo, no sé cómo hacer los cálculos exactos sobre lo que podría haber lanzado hacia Plutón, ya que hay una serie de factores que complican la situación. New Horizons se lanzó a una velocidad de 16,26 km/s, pero luego recibió un impulso de velocidad de Júpiter de alrededor de 4 km/s. Dado que Júpiter ya está bastante lejos, esos 4 km/s se traducen (creo) en un poco menos de velocidad adicional si el vehículo de lanzamiento hubiera necesitado proporcionar la velocidad. Entonces, para una transferencia Hohmann que requiere alrededor de 16 km/s, la velocidad de lanzamiento con una asistencia de Júpiter tendría que ser un poco más de 12 km/s. En segundo lugar, el lanzamiento utilizó un Star 48B adicional como tercera etapa, para dar a NH más velocidad de lo que el Atlas podría ofrecer por sí solo. La estrella 48B pesa 2137 kg..

El NH pesaría unas 2,5 veces más con el combustible para una trayectoria de transferencia Hohmann, excluyendo la masa adicional de la propia sonda para acomodar el combustible adicional. El Delta es solo menos del doble de potente que el Atlas, pero tal vez la menor velocidad requerida para una transferencia Hohmann sea suficiente para hacerlo posible. O tal vez no. No estoy seguro.

red de transporte interplanetario

Hay otras formas de llegar a Plutón, conocidas como la red de transporte interplanetario . Eso significa que vuelas repetidamente por otros planetas para obtener múltiples asistencias de gravedad. En principio, es posible llegar a cualquier parte del sistema solar con requisitos mínimos de combustible. Solo necesita llegar al punto de retraso Tierra-Luna L1 y desde allí puede usar asistencias de gravedad. El único problema es que esto es mucho más lento que incluso la transferencia bi-elíptica. Entonces, ¿cuánto tiempo tienes?

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Oh, estás limitando el tiempo adicional a 'otra década más o menos'. Eso excluye incluso una simple transferencia de Hohmann, y requeriría acelerar a una trayectoria de escape y luego detenerse en Plutón. Eso sería claramente imposible con los cohetes disponibles en ese momento, y probablemente también con los cohetes que existen ahora (El único cohete nuevo más poderoso es el Falcon Heavy, pero no es tan bueno para llevar cosas pequeñas a una velocidad muy alta .) Tendrás que esperar a la nave espacial de SpaceX oa que alguien construya un reactor nuclear de grado espacial para alimentar un motor de iones.

La respuesta a la pregunta 1 vendrá de la llegada de la trayectoria elegida$V_\inf$(exceso de velocidad hiperbólico). La respuesta a la pregunta 2 vendrá del lanzamiento de la trayectoria elegida$C3$(energía característica). Los dos están acoplados a una trayectoria individual que depende de fechas y rutas (qué planetas sobrevolar). Afortunadamente, tengo experiencia (de estudiante) en búsquedas de trayectorias interplanetarias.

Elegí mantener la arquitectura de misión (como volada) de una asistencia de gravedad de Júpiter para tratar de aprovechar un lanzamiento más bajo$C3$(en comparación con Plutón directo) y una asistencia de gravedad más fuerte en Júpiter. También es más fácil de comparar con la misión principal de New Horizons volada.

Fechas de restricción de búsqueda:

• Fechas de lanzamiento: 2003 - finales de 2006
• Fechas JGA: 2003 - finales de 2010
• Plutón Fechas de llegada: 2008 - finales de 2030*
• datos de vectores de estado de JPL Horizons (tamaño de paso de 5 días)

*El diseño de la misión New Horizons apoyó la llegada a Plutón hasta 2020 en una trayectoria directa de Plutón ( Diseño de la misión New Horizons, Guo et al. )

Utilicé una versión muy modificada (principalmente el solucionador de Lambert ) de este paquete de intercambio de archivos de MATLAB$^1$para crear los diagramas de chuleta de cerdo para cada tramo de la trayectoria (Tierra-Júpiter, Júpiter-Plutón). Aquí está el tramo inicial (lanzamiento$C3$) con el real de New Horizons anotado:

El truco consiste en encontrar trayectorias adecuadas de Júpiter a Plutón que coincidan con el exceso de velocidad hiperbólico,$V_\inf$, acercándose y saliendo de Júpiter, lo que permite un sobrevuelo/asistencia gravitatoria 'gratuita'. Normalmente considero que una diferencia de menos de 100 m/s es lo suficientemente cercana.

El exceso de velocidad hiperbólico de llegada a Plutón favorece fuertemente una ruta más lenta de Júpiter a Plutón (nuevamente, New Horizons real anotado). Más lento es el nombre del juego aquí:

Una restricción secundaria, no evidente de inmediato, es qué tan cerca está dispuesto a llegar a Júpiter y su fuerte radiación durante la asistencia de la gravedad. New Horizons pasó cerca de unos 33$R_J$, radios jovianos ( SEGUIMIENTO Y CONTROL DE LA TRAYECTORIA DEL SOBREVUELO DE PLUTÓN EN LOS NUEVOS HORIZONTES, Guo et al. ). No tengo un buen conocimiento sobre cuál es una distancia de aproximación cercana razonable para una nave espacial que vuela por Júpiter (en el alcance del daño por radiación), por lo que por ahora dejaré esta restricción abierta (simplemente no tenga la aproximación cercana dentro de Júpiter ) .

Con estas limitaciones y un lanzamiento$C3$menos de 150 km$^2$/s$^2$, hay 32 075 trayectorias viables , que se muestran aquí en este gráfico ingenioso de los valores clave que nos interesan:

Los marcadores rojos muestran la región de trayectorias más eficientes (baja$C3$y$V_\inf$). La trayectoria más eficiente es:

Se ve así (con New Horizons real, a la izquierda, para comparar):

Observaciones:

• Esta trayectoria llega a Plutón el último día de la restricción de tiempo (más lento es el nombre del juego)
• La trayectoria permanece unida gravitacionalmente al Sol durante toda la trayectoria (SMA EJ: 3,7 au, SMA JP: 30,3 au)

Respuestas:

Voy a ignorar a Caronte en los cálculos de inserción orbital. También voy a asumir una 'masa seca' (incluido el propulsor de control de actitud) de 500 kg para nuestra sonda New (y mejorada) Horizons para acomodar el aumento de propulsores.$I_{sp}$de 220 s como se discutió en la respuesta de JanKunis .

1. Inserción en la órbita de Plutón (se supone quemado instantáneo en el periapsis):

73% y 76% de propulsor en masa , respectivamente.

2. Vehículos de lanzamiento:

Utilicé un algoritmo mío desarrollado previamente para determinar cuánta masa puede arrojar una combinación dada de vehículo de lanzamiento + STAR48B a un determinado$C3$. El rendimiento básico se toma del sitio web de rendimiento del vehículo de lanzamiento del programa de servicios de lanzamiento de la NASA y del catálogo de productos de propulsión de Northrop Grumman . Si se supone una altitud de referencia, puede obtener la velocidad de$C3$y nave espacial Star48B +$\Delta V$de las especificaciones públicas. Obtenga una velocidad final y luego vuelva a calcular la$C3$.

El Delta IV Heavy ya no figura en el sitio web de rendimiento del vehículo de lanzamiento del Programa de servicios de lanzamiento de la NASA (fue en abril de 2020), pero tengo un ajuste de curva de los datos guardados de algunos proyectos de la vieja escuela :). Me doy cuenta de que el lanzamiento propuesto es ~ 1 año antes del vuelo inaugural del Delta IV Heavy, pero el contrato podría ser muy jugoso para que esto sea posible. Incluí otros vehículos de lanzamiento para comparar:

Para$C3$de 91,9 kilómetros$^2$/s$^2$:

Un margen pequeño seguro, pero definitivamente plausible.

1: Bogdan Danciu (2021). Diseño de misión interplanetaria ( https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/66192-interplanetary-mission-design ), Intercambio de archivos central de MATLAB. Consultado el 27 de junio de 2021.