¿Podría un cubesat ser autopropulsado a la luna desde LEO?

¿Es posible con las tecnologías actuales impulsar un cubesat, que se lanza desde la Tierra, a la luna?

Si los sistemas de propulsión actuales son capaces de hacerlo, ¿cómo sigo investigando en este tema y qué cálculos tengo que hacer para continuar?

Puede ser útil cambiar el título para reflejar mejor su pregunta. ¿Quiere decir que el cubesat sea transportado por un cohete más grande, o que el cubesat se propulse a sí mismo? Si es lo último, ¿sería desde la órbita terrestre baja? Obtuvo respuestas que abordan ambas posibilidades, pero aclarar el título ayudaría a los futuros lectores de esta pregunta.

Respuestas (3)

Veamos algunos ejemplos posibles, basándonos en la respuesta de @ben y la respuesta de @Knudsen .

Sabemos que los cubesats de MarCo pudieron navegar de la Tierra a Marte, con

  • control de actitud a través de ruedas de reacción y propulsores de gas frío
  • recopilación de imágenes y datos científicos
  • comunicación directamente con la Tierra a través de una exclusiva antena plana emergente de alta ganancia
  • 70 W de energía solar a 1 AU a través de dos paneles solares desplegables más almacenamiento de batería
  • factor de forma estándar de 6U

para obtener más información, consulte esta respuesta y los enlaces que contiene.

Así que adoptemos el diseño de MarCo. No proporcionaron su propia propulsión, así que agreguemos un sistema de propulsión directamente a la configuración inicial de 6U y 14 kg de MarCo y llamémoslo 10U y 22 kg. El volumen adicional de 4U es principalmente para motores y propulsor adicional, el presupuesto de masa adicional de 8 kg es para motores y paneles solares adicionales para obtener más energía eléctrica, ¡especialmente cerca de Marte y mucho más propulsor!

Buscando al menos sistemas de propulsión eléctrica cubesat aparentemente existentes que podrías poner en un cubesat 3U hoy (o pronto), el primero que apareció en mi búsqueda es el IFM Nano Thruster para CubeSats . Estoy seguro de que hay otras opciones, usemos esto como ejemplo. Según esa página:

Dynamic thrust range        10 μN to 0.5 mN
Nominal thrust              350 μN
Specific impulse            2,000 to 5000 s
Propellant mass             250 g
Total impulse               more than 5,000 Ns
Power at nominal thrust     35 W incl. neutralizer

Nuestro cubesat tendrá suficiente energía eléctrica para dos motores a 1 AU, ya que hemos ampliado el factor de forma en 4 U y el presupuesto de masa en 8 kg permitirá paneles solares más grandes.

Nuestros dos motores listos para usar con tanques de propulsor de 250 g cada uno pueden proporcionar un impulso total de hasta 10 000 Newton segundos. Con una masa promedio de unos 20 kg, eso solo proporciona un delta-v de 500 m/s. Pero, ¿cuánto necesitamos?

¡Afortunadamente, ya existe una misión que aborda esto! Respuestas a Pasar de LEO a la Luna usando solo propulsión de iones de bajo empuje: ¿se puede hacer? ¡Di que la misión SMART-1 ya lo ha hecho!

Según ese artículo, el sistema de propulsión utilizado para proporcionar una trayectoria de GTO a la Luna (aterrizaje forzoso) demostró un delta-v total de unos 3.900 m/s.

Afortunadamente, habíamos agregado 8 kg a nuestro presupuesto de masa, por lo que si hubiéramos agregado 5 kg adicionales de propelente, tendríamos un impulso total de 100 000 Newton segundos y un delta-v de aproximadamente 5000 m/s.

Conclusión:

Un cálculo básico que comienza con un cubesat tipo MarCo con capacidad demostrada de ir desde la Tierra hasta Marte, aumentado de 6U 14 kg a 10U 22 kg con dos diseños de motor existentes y otros 5 kg de propulsor, podemos ir de GTO a la Luna usando propulsión solar-eléctrica.

El delta-v adicional permite maniobrar cerca de la Luna y hacer un poco de turismo y tomar selfies.

Alternativamente, puede usar el delta-v adicional para impulsarse de LEO a GTO, lo que permite una opción de implementación de cubesat más estándar siempre que la inclinación no sea demasiado alta. Eso probablemente necesitaría otros pocos kg de propulsor, por lo que es marginal. La mejor manera de proceder sería subirse a uno de los muchos lanzamientos existentes a GTO de una manera similar a como el MarCo lleva a cuestas a la órbita de transferencia a Marte.

MarCO: Mars Cube One a cuestas a Marte

Fuente: MarCO: Mars Cube One

a continuación: Fuente: Entrada de blog de la Sociedad Planetaria de Emily Lakdawalla MarCO: ¡CubeSats a Marte!

Encontrado en esta respuesta .

NAVE ESPACIAL MARCO: El ingeniero Joel Steinkraus junto a las dos naves espaciales Mars Cube One (MarCO) en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA. El de la izquierda está plegado de la forma en que se guardará en su cohete; el de la derecha tiene sus paneles solares completamente desplegados, junto con su antena de alta ganancia en la parte superior.

NAVE ESPACIAL MARCO de la publicación del blog de Planetary Society

Un sistema de propulsión futuro alternativo con un Isp aún mayor y, por lo tanto, que necesita menos masa propulsora:

Un vídeo alentador:

Excelente respuesta! No quería aventurarme en las matemáticas, pero supuse que el tamaño requerido sería mucho mayor que 10U. Resulta que esta es una misión realmente alcanzable para un grupo con una subvención (relativamente) pequeña.
@ben, creo que son al menos unos pocos millones de dólares solo para comprar todas las piezas, ensamblarlas y hacer algunas pruebas básicas. Tal vez pueda ahorrar algo si construye todos los componentes desde cero, pero eso no será tan confiable. También hay un gasto significativo en hacerlos aptos para el espacio y hacer toda la logística de prepararlos para el lanzamiento, obteniendo todos los permisos. Esto no incluye un lanzamiento real, que para un cubesat tan grande requeriría arreglos especiales. Si eso todavía se considera (relativamente) pequeño, ¡entonces está listo para comenzar!
Oh, sin duda, esta es una declaración subjetiva. Nadie está haciendo esto en su garaje, por ejemplo. Es genial pensar que estamos en un punto en el que, por ejemplo, un pequeño grupo de investigación universitario podría obtener fondos suficientes para enviar una misión a la luna. Por supuesto, esto también requeriría hacer autostop (como usted dice, un poco complejo con el tamaño) o asegurar el apoyo de la NASA o equivalente para el lanzamiento. Es genial ver que el espacio se vuelve más accesible. Incluso si son pequeños pasos, son pasos en la dirección correcta.
@ben absolutamente! Esta respuesta se basa en un diseño probado. Sin duda, si comenzó aquí y volvió a la mesa de dibujo, encontrará soluciones de menor costo. Las comunicaciones serían más fáciles de implementar ya que la Luna está mucho más cerca que Marte. Recuerde que la radiación es más alta que en LEO, por lo que toda la electrónica tendrá que ser algo resistente a la radiación y tolerante a fallas y caídas regulares, pero eso es factible con redundancia, que probablemente sea más barata que la parte superior de la línea rad-hard. electrónica. Las células solares de triple unión son realmente caras, el silicio de menor eficiencia reducirá el costo.
"Hola alexa, ¿cuál es la densidad de energía de pu-239"

Muy posible

Los cubesats son pequeños; por lo general, el cubo base mide 10 cm cuadrados y pesa menos de 1,5 kg, y se pueden hacer cubesats más grandes a partir de combinaciones de este tamaño base. Se han enviado naves espaciales mucho más grandes a la luna, e imagino que hay una gran cantidad de posibles lanzadores y sistemas de propulsión para permitir esto. De hecho, varios grupos están trabajando actualmente en ello:

Cubesats ya han estado en Marte , como parte de la misión de aterrizaje InSight.

autopropulsado

No está claro a partir de su pregunta si está preguntando sobre un cubesat autopropulsado, posiblemente comenzando en LEO. Si es así, consulte este artículo reciente . Muchas de las ecuaciones necesarias se explican dentro. El concepto de cubesats con capacidades de propulsión significativas es más nuevo, pero presumiblemente se podrían agregar módulos que contengan suficiente combustible para que un cubesat llegue a la luna.

¿Qué necesitas para estudiar?

Tal vez comience con la ecuación de vis viva y la ecuación del cohete y sus respectivas formulaciones. Esta es una introducción decente sobre la mecánica orbital si está comenzando completamente desde cero.

Un problema importante no es tanto el delta-V como el control por radio. La Luna no está tan lejos, por lo que no es insuperable, pero una buena radio para cubrir una larga distancia y recibir la señal de la Tierra y transmitirla a la potencia que se puede recibir en la Tierra tiende a ser grande y consume mucha energía. No sirve de mucho enviar el satélite más elegante si pierde contacto y nadie llega a saber qué descubrió y qué está haciendo.
@SF. muy cierto, y algo que omití en mi respuesta. La respuesta seleccionada cubre este problema exacto al basar un diseño hipotético en los cubesats de MarCo.

Sí, pero aún no se ha hecho.

La NASA actualmente está enviando tres misiones CubeSat que conozco a la luna en EM-1 en algún momento de 2020 (según las estimaciones actuales de la línea de tiempo SLS). Creo que todas son naves espaciales 6U. http://exploredeepspace.com/news/the-cubesats-of-slss-em-1/

Las tres misiones son:

Los tres utilizarán propulsión solar-eléctrica para cambiar de órbita. Sin embargo, solo LunaH y Lunar IceCube establecerán órbitas alrededor de la luna.

El estudio adicional de la mecánica orbital ayudará a evaluar las compensaciones entre el delta-v proporcionado por el vehículo de lanzamiento, los sistemas de energía solar y la optimización de la trayectoria de bajo empuje.

Esto es realmente interesante. Las "estimaciones actuales de la línea de tiempo de SLS" pueden variar, pero estoy seguro de que llegarán allí de alguna manera ;-) El cohete SLS de Scott Manley en problemas después de la nueva solicitud de presupuesto de la Casa Blanca
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