¿Por qué las sondas espaciales deberían orbitar la Tierra antes de ser lanzadas a otros planetas?

Todas las sondas interplanetarias de las que tengo conocimiento se lanzaron a una órbita de estacionamiento y luego esperaron un tiempo en esa órbita antes de reiniciar una etapa o encender otra etapa para inyectar en la asíntota saliente deseada. Esto se hace por conveniencia para permitir largas ventanas de lanzamiento en los días del período de lanzamiento. Es posible y un poco más eficiente lanzar directamente desde la plataforma de lanzamiento a la trayectoria interplanetaria, pero tendrá una ventana de lanzamiento instantánea y su plataforma de lanzamiento debe cruzar el plano de la trayectoria de salida para obtener esa eficiencia. Las ventanas de lanzamiento instantáneo son riesgosas, ya que si hay un problema como un barco donde no debería estar, no se lanza ese día. Con la ventana más larga que ofrece entrar primero en una órbita de estacionamiento, a menudo una hora o más, tiene tiempo para solucionar el problema y aún así lanzar.

(Aparte, trabajé en un proyecto, que luego se canceló, que iba a usar un Ariane 5 para lanzarse a Marte. El problema era que su etapa superior en ese momento no tenía una capacidad de reinicio calificada. Como resultado , tuvimos que planear inyectar directamente desde la plataforma de lanzamiento sin órbita de estacionamiento. Aunque el sitio de lanzamiento de la Guayana Francesa estaba fortuitamente cerca de donde lo querríamos para esa oportunidad, no era exactamente correcto, por lo que tuvimos que incurrir en cierta ineficiencia con una maniobra dog-leg para ir por el camino correcto.)

En la mayoría de los casos, la espera en la órbita de estacionamiento se mide en decenas de minutos. A menudo está reiniciando una segunda etapa con una duración limitada de la batería, por lo que no desea esperar más de una órbita. Para tener un período de lanzamiento de dos semanas o más, debe aceptar cierta ineficiencia en las energías de inyección más altas antes y después del día óptimo.

India está haciendo algo un poco diferente, que tiene cierto riesgo pero ofrece una mayor eficiencia. Tienen un día fijo de salida de la órbita terrestre con la energía de inyección más pequeña. Cada vez que se lanzan, esperan en la órbita de la Tierra hasta ese bendito día, y luego parten. Eso significa que necesitan una etapa superior con una vida más larga. En el lado positivo, dividir la quema de inyección en varias partes, ejecutadas en cada perigeo, permite que el motor sea mucho más pequeño y liviano que un motor típico de etapa superior que intenta hacer fluir todo el combustible en una sola quemadura cerca de la Tierra.

Como se señaló en las otras respuestas, las quemaduras por inyección, ya sea que se realicen 20 minutos después o 20 días después, se realizan en el perigeo para obtener el cambio de energía máximo por unidad de$\Delta V$. Lanzaré una ecuación aquí solo por diversión. En física básica aprendes la ecuación de la energía cinética:$K={m v^2\over 2}$. Si diferencia eso con respecto a$v$, usted obtiene$dK=m v\,dv$. Así que tu cambio de energía es proporcional a tu velocidad multiplicada por la$\Delta V$. Cuanto más rápido vas, más cambio de energía obtienes por un tiempo fijo.$\Delta V$. Vas más rápido en el perigeo. Esto se conoce como efecto Oberth.

Como mencionó @Ame, el cohete no tenía suficiente combustible para ponerlo allí de una sola vez, como lo hacen la mayoría de los cohetes estadounidenses/rusos. Sin embargo, la física real detrás de la maniobra orbital es ligeramente diferente a la descrita. Concretamente, la física se denomina efecto Oberth . La breve explicación de esto es que el empuje de un cohete es más efectivo si se realiza en el perigeo. Disparar el cohete durante sucesivos pases de perigeo mejorará la eficiencia, lo que finalmente permitirá que uno tenga la máxima eficiencia en las ráfagas de cohetes. Una verdadera asistencia de gravedad no utiliza propulsores, pero este efecto esencialmente magnifica la efectividad del empuje.

Hay varias razones por las que los satélites necesitan orbitar la Tierra antes de volverse interplanetarios...

La primera razón: el sitio de lanzamiento rara vez se encuentra en la posición correcta para iniciar un vuelo interplanetario. La Tierra gira en una inclinación, por lo que un lanzamiento debe programarse cuando el Centro Espacial Kennedy cruza el plano de la eclíptica (el plano general en el que orbitan la mayoría de los planetas). Además, tiene que estar en la estación adecuada, de modo que cuando la sonda salga a la órbita termine dirigiéndose en la dirección correcta cuando abandone el SOI de la Tierra. Todo esto es posible con un perfil de ascenso directo, solo se necesita una muy buena sincronización, pero estas ventanas perfectas ocurren muy raramente.

Cualquier sonda que haga una órbita eclíptica alrededor de la Tierra, en primer lugar, tiene una ventana de lanzamiento prácticamente cada 45 minutos, a diferencia de un par de veces al año.

La segunda razón: la cantidad de Delta-V requerida para escapar del SOI de la Tierra es bastante grande. Si bien es posible construir cohetes lo suficientemente grandes como para hacerlo, el factor limitante es realmente la eficiencia del combustible de cohetes típico y los motores de cohetes.

Para sacar una sonda de la órbita de la Tierra con un cohete se necesita un cohete bastante pesado. Ese cohete pesado debe elevarse a la órbita terrestre baja, lo que requiere un cohete masivo.

Una forma de mejorar este hecho es hacer que su cohete sea mucho más eficiente, pero ya estamos cerca del límite de eficiencia teórico de un cohete químico. Entonces, la NASA comenzó a usar la propulsión ION, que es mucho más eficiente que un cohete químico, también es muy débil, que es la tercera razón...

La tercera razón: ahora que la mayoría de las sondas usan propulsión de iones, no tienen el impulso para expulsarse de la tierra en un ascenso directo: pasan semanas con el impulsor de iones empujando durante un tiempo (unos minutos) en una clave. punto en la órbita. Cada vez que el motor de iones hace esto, su órbita se acerca más y más a la velocidad de escape de la Tierra.

Una vez que la sonda está fuera de la SOI de la Tierra, básicamente puede encender el motor de iones y dejarlo allí todo el tiempo que desee para completar las maniobras interplanetarias. Por lo general, la mayoría de las maniobras entre planetas son correcciones menores de rumbo para aprovechar un sobrevuelo planetario para lanzarse a velocidades mucho más altas.

TL;DR? Muchas razones: Tiempo: la posición de lanzamiento y la orientación orbital significan pocas buenas ventanas de lanzamiento para el ascenso directo, alcanzar la órbita primero permite muchas más opciones. Se necesita demasiado combustible: alejar una sonda de la tierra requiere una gran cantidad de propulsor químico, por lo que ahora usamos motores de iones en su lugar. Los motores de iones son débiles: se necesita mucho tiempo (¡semanas!) para que estos motores altamente eficientes hagan su trabajo.

En el caso del PSLV de la India , el vehículo de lanzamiento no es lo suficientemente potente como para insertar la sonda Mars Orbiter Mission directamente en una ruta a Marte . En contraste , MAVEN se lanzará utilizando el Atlas V mucho más potente.

La sonda tiene que usar la asistencia de la gravedad para ganar suficiente velocidad para viajar a Marte. Es decir, la sonda primero entra en una órbita altamente elíptica y usa encendidos cortos especialmente sincronizados para lograr una aceleración debido a la gravedad de la Tierra y el movimiento alrededor del sol. Especialmente el movimiento de la Tierra en relación con el sol y la sonda es aquí de ayuda, ya que este impulso se suma al impulso existente de la sonda. La imagen en el artículo de Wikipedia es bastante reveladora:

Antes de llegar a todas las demás ventajas, comencemos con la única y esencial.

Un cohete que flota en su lugar (sin volar en absoluto, simplemente flotando sobre la plataforma de lanzamiento) necesita generar suficiente empuje que de otro modo le daría$9.8 m/s^2$aceleración (1g) en vuelo horizontal. Eso es bastante, y todo eso es empuje desperdiciado. Si lanzas directamente hacia arriba, la aceleración gravitatoria terrestre es lo que tienes que restar de tu aceleración en todo momento. Cada segundo, no importa en qué más gaste su combustible, necesita gastar una dosis considerable para no caerse.

Ahora, un cohete que se mueve horizontalmente en órbita no usa combustible para mantener la altitud. Cada gramo de él se utiliza para aumentar su energía cinética. De esa manera, su primera prioridad tan pronto como reduzca la fricción del aire a niveles manejables es entrar en órbita y dejar de desperdiciar combustible tratando de evitar caerse. La energía que pones para acelerar a la velocidad orbital todavía se puede usar, la agregarás a tu velocidad en el viaje interplanetario, y ahora está almacenada de forma segura como tu energía cinética.

Ahora, una vez en órbita puedes hacer todo tipo de maniobras útiles a tu antojo, cambiar a motores de mejor impulso específico pero menor empuje, y no desperdiciar más combustible.

La sonda New Horizons, si leí correctamente el artículo de Wikipedia, no permaneció en su órbita de estacionamiento durante una órbita completa. Menos de 45 minutos después del lanzamiento, ya estaba en su trayectoria de escape solar. Pero pasó tiempo en un camino orbital que le permitió llegar a la posición correcta para que la quemadura escapara de la velocidad, de manera consistente con las otras respuestas dadas. Pero, si te preguntaste por qué todas las sondas dedican tiempo a dar la vuelta completa a la Tierra antes de partir, la respuesta es que al menos una no lo hizo.