¿Por qué las sondas espaciales no se lanzan en lotes?

Muchos de los costos de lanzar sondas espaciales a otras lunas y planetas deben ser los asombrosos costos de investigación e ingeniería para diseñar el vehículo, así como los costos de planificación de una misión.

Además, a menudo se requieren ventanas de tiempo limitadas, ya que todos los planetas deben estar alineados de cierta manera.

Entonces, con eso en mente, ¿por qué solo lanzar 1 o 2 sondas a la vez? ¿Por qué no lanzar 100 (obviamente, solo una cifra en la parte superior de mi cabeza) de una vez? Obviamente, el costo de lanzar 100 sondas espaciales será más de 1, pero seguramente no será 100 veces más caro. Ya pagó los costos fijos, solo tiene que pagar los costos variables como el combustible y las piezas de cada barco.

La introducción de la redundancia también minimiza los riesgos de que la misión falle. Estas misiones a menudo requieren cierta precisión milimétrica y una falla en cualquier etapa puede terminar la misión.

"¿Por qué no lanzar 100... todos a la vez?" Si van al mismo lugar por el mismo camino, existe el riesgo de colisión, entonces, ¿por qué no unirlos a todos en primer lugar (y poder compartir los sistemas comunes)?
"La introducción de la redundancia también minimiza los riesgos de que la misión falle". No si se lanzan en un 'lote' y el lanzador explota. Múltiples telescopios espaciales Hubble (presumiblemente) habrían estado todos fuera de foco, y todos los vehículos de aterrizaje de Marte que se estrellaron debido a un malentendido entre las medidas métricas e imperiales habrían tenido el mismo destino.
@AndrewThompson: puntos interesantes. Supongo que las fallas en el tiempo de diseño siempre fallarían, pero las fallas en el tiempo de ejecución no. ¿El componente de arpón philae fallaría cada vez o solo una vez? Pero también existe la posibilidad de que las sondas no hagan todas las mismas cosas al mismo tiempo. Entonces, si la primera sonda falla debido a alguna falla, esto podría investigarse y la próxima sonda podría tener una actualización de software para asegurarse de que no suceda.
Supongo que mi pensamiento es que si una empresa gasta todos sus recursos en el diseño de un nuevo producto innovador, no van a querer simplemente crear uno. Van a querer crear muchos, porque cada unidad que produzcan reducirá los costos generales por unidad.
La producción por lotes reduciría el costo de desarrollo por unidad y el rover Mars2020 será una copia de Curiosity con diferentes instrumentos. Pero con un presupuesto de casi 3 mil millones, el costo de lanzamiento de tal vez 0,2 mil millones no es demasiado importante. Además, los científicos quieren enviar cosas diferentes y únicas para obtener datos más amplios (como: sobrevuelo, orbitador, módulo de aterrizaje). El lanzador es más adecuado para la producción por lotes y creo que está hecho para Ariane 5.
"Obviamente, el costo de lanzar 100 sondas espaciales será más de 1, pero seguramente no será 100 veces más caro". La falacia aquí es la suposición implícita de que los costos no aumentarán linealmente, pero de alguna manera los beneficios sí lo harán. Si el costo de 100 sondas es solo 2 veces el costo de una sonda, todavía no tiene sentido si el beneficio esperado es solo 1,5 veces el de una sola sonda.
Otros factores son la necesidad de instalaciones para recolectar los datos de las sondas y enviarles comandos: ¿hay suficiente ancho de banda en el sistema para manejar 100 sondas simultáneamente? Luego, necesita personas para planificar la misión de la sonda (que para Cassini o Curiousity no es trivial), científicos para analizar los datos resultantes, etc.

Respuestas (6)

Los ahorros de costos de la producción en masa no son lineales. Verá ahorros en algunas áreas, pero ninguno en otras.

  • Las sondas espaciales e incluso los satélites comerciales (que están estandarizados hasta cierto punto) se construyen a mano. Entonces, si construye 2 (o 20), el costo de mano de obra aumenta más o menos linealmente. Solo cuando construye números mucho más grandes (miles), se vuelve interesante invertir en herramientas de producción para intercambiar por un costo de mano de obra más bajo.

  • Lo mismo ocurre con los componentes que utilizará. 100 sondas no está cerca de la escala que necesita para beneficiarse de la producción en masa.

  • La capacidad no aumenta linealmente con el tamaño. Si puede elegir entre 1 sonda grande y 100 sondas pequeñas, la sonda grande puede contener instrumentos científicos mucho más avanzados que 100 pequeñas. Las misiones de planetas exteriores necesitan un RTG, y estos son tan raros que construir 100 de ellos no es factible en este momento. Una sonda pequeña no podrá transmitir directamente desde, por ejemplo, Marte a la Tierra, no tiene el presupuesto de potencia del transmisor.

  • Hay casos en los que le gustaría tener varias medidas en diferentes ubicaciones. Convenientemente, una nave espacial en órbita visitará eventualmente todos los lugares del planeta (dependiendo de la órbita elegida). La NASA está planeando varias misiones que contendrán algunos cubesats además de la nave espacial principal, para hacer mediciones en varios lugares a la vez . La nave principal actuará como relevo.

  • Los lanzamientos al espacio profundo son difíciles. Para las misiones de planetas exteriores, las sondas actuales están cerca del límite de peso de lanzamiento de los cohetes que tenemos. Entonces, enviar 100 Voyagers habría requerido 100 lanzamientos. Enviar 100 naves espaciales en 1 lanzamiento habría significado construir cubesats, algo que solo recientemente se volvió factible.

Supongo que mi pensamiento es que si una empresa gasta todos sus recursos en el diseño de un nuevo producto innovador, no van a querer simplemente crear uno. Van a querer crear muchos, porque cada unidad que produzcan reducirá los costos generales por unidad.

Por ahora, las sondas espaciales profundas generalmente son diseñadas y construidas por agencias espaciales y/o universidades, no por empresas comerciales. No les importa la producción en masa.

Creo que el punto final ("Los lanzamientos al espacio profundo son difíciles") es el principal asesino de esta idea. Teniendo en cuenta que primero decide el lanzador, luego incorpore tanta ciencia como pueda en su capacidad de carga útil para la trayectoria deseada y la vida útil de la misión. No habrá muchos casos en los que una gran cantidad de sondas pequeñas en una trayectoria idéntica (o casi idéntica) brinde más ciencia que una sola sonda más grande del mismo peso total, aunque obviamente algunas excepciones a esa regla pueden claramente ser encontrado.
Sin embargo, tenga en cuenta que hay algunos casos de sondas múltiples, básicamente idénticas. Me vienen a la mente los rovers Spirit & Opportunity Mars y los Voyagers. Pero AFAIK, la mayor cantidad de sondas idénticas lanzadas casi al mismo tiempo son dos.
Solo para aclarar, la única órbita que "visita [s] todos los lugares del planeta eventualmente" es una órbita polar. Otras órbitas pueden cubrir una gran área, pero solo una órbita polar cubrirá todo. Además, creo que si su período orbital es un múltiplo del período de rotación del planeta, terminará cubriendo el mismo terreno repetidamente, en lugar de cubrirlo todo. Aún así, como dices, ¡la mayoría de las órbitas cubren un área significativa! Por ejemplo, la ISS no pasa por todos los puntos de la tierra, solo una gran banda centrada en el ecuador.

Un lote de sondas todas con el mismo destino no sería económico en este momento. Cada sonda necesitaría su propia propulsión, comunicaciones (a menos que haya un "padre" con una antena de largo alcance), guía y otros dispositivos electrónicos. Esto agregaría peso.

También para observaciones generales, una sola sonda puede tomar todas las medidas/imágenes y devolverlas.

Sin embargo, algunos grupos han estado analizando un enjambre de microsondas. Podría ser útil volarlos a su destino en un módulo de aterrizaje y luego liberarlos en la superficie para su exploración, por ejemplo. Otro ejemplo que se ha dado es el de las sondas de entrada múltiple para examinar la atmósfera de Júpiter...

Creo que el principio general en el que estás pensando es solo parcialmente válido. Así es como lo resumo:

La producción en masa no puede ocurrir sin una fábrica. Las fábricas pueden costar miles de millones. Pero reutilizamos el diseño de las sondas, especialmente las primeras sondas de nuestra historia.

La investigación, el diseño y el desarrollo tienen costos propios. Entonces creo que hay una parte válida de su principio que dice, ¿por qué diseñar una nueva sonda? Podríamos simplemente hacer varias copias y enviarlas a donde sea necesario.

Bueno, esto es cierto para las primeras sondas espaciales. Una sonda diseñada para sobrevolar Júpiter recopilaría los mismos datos de Saturno, Urano y Neptuno.

Y así es como se hizo al principio. Las Voyager 1 y 2 eran prácticamente idénticas, y estoy bastante seguro de que lo mismo ocurre con las Pioneer 10 y 11 y las sondas Mariner. Además, muchas de las primeras sondas a la Luna, Marte y Venus eran copias entre sí. La serie Ranger, por ejemplo, sale al menos a Ranger 8.

Eso no significa que los produzcamos en masa. 8 sondas Ranger no son justificación para gastar miles de millones en una fábrica cuando se pueden ensamblar a mano.

Pero llega un punto en el que la misma sonda simplemente no recopilará ningún dato nuevo, ¡porque ya lo hemos hecho! Es hora de diseñar una nueva sonda que recopile nuevos datos.

También puede preguntarse acerca de los mundos no visitados o visitados recientemente, utilizando sondas completamente nuevas. ¿Por qué construir New Horizons para ir a Plutón cuando podemos simplemente reutilizar el diseño de Voyager, por ejemplo? ¿Por qué gastar dinero en nuevos desarrollos (y arriesgarse a nuevos fracasos) cuando ya tenemos un diseño válido que ha demostrado que funciona? El problema aquí es que el presupuesto de lanzamiento no se asignó para una sonda de 720 kg (la masa de la Voyager). En cambio, queríamos una sonda de 480 kg (la masa de New Horizons) para poder lanzarla a la distancia de Plutón realmente rápido. Además, en estos días, diseñar una nueva sonda espacial NO es tan difícil como solía ser (afortunadamente).

Además de los argumentos sobre las eficiencias, las sondas son objetos especialmente diseñados con mucha discusión sobre las cargas útiles particulares.

Con un escenario de lanzamiento en serie, puede incorporar su comprensión del objeto de las primeras sondas en el diseño de las sondas posteriores. Con un escenario de lanzamiento masivo, debe decidir sobre todas las cargas útiles con su conocimiento actual del objetivo. Sería como jugar a "20 preguntas", pero debe enviar todas sus preguntas al comienzo del juego en lugar de desarrollarlas con el tiempo.

De acuerdo con la ecuación del cohete, necesitará combustible en proporción a la masa de su carga útil y exponencialmente en relación con la velocidad de escape de la masa. De hecho, los costos de mantenimiento serán menores en los lanzamientos por lotes, sin embargo, deberá usar más combustible, lo que tiene sus propias consecuencias en la preparación del lanzamiento. Además, los lanzadores actuales no están diseñados para encadenarse en configuraciones arbitrarias, es decir, no se pueden apilar cinco etapas superiores sobre treinta etapas principales.

Sería muy bueno si pudiéramos apilar lanzacohetes en configuraciones arbitrarias.
"Según la ecuación del cohete, necesitará combustible en proporción a su masa de carga útil al cuadrado ". ¿Porqué es eso?
@JiK: Aproximación de etapa infiniteestimal.

Hay ahorros de costos definitivos cuando se lanzan múltiples satélites. Una empresa con la que estoy familiarizado lanzó muchos satélites de comunicación. El uso de un diseño común ahorró costos de ingeniería, algo de mano de obra (las cosas se hicieron más rápidas con el tiempo y menos tiempo de inactividad para los expertos), software e incluso pruebas (algunos satélites se sometieron a pruebas más exhaustivas, lo que redujo el costo). Tienes toda la razón, más sondas serían menos costosas. Sin embargo, hay algunos inconvenientes.

  1. La cantidad de ciencia obtenida de una nueva sonda disminuye con la cantidad de naves espaciales. Por ejemplo, MRO tiene una cámara que ha fotografiado toda la superficie de Marte con una resolución bastante alta. En este momento solo puede tomar fotografías de la superficie para ver cómo cambian las cosas. Su valor científico práctico se ha reducido drásticamente.
  2. La comunicación con el grupo de satélites se vuelve difícil. Uno de los aspectos más difíciles de gestionar muchas misiones espaciales es cuando todas están en la misma parte del cielo al mismo tiempo. Esto reduce la disponibilidad de las ventanas de comunicación, lo que dificulta en general escuchar de estas sondas. Tantos en un solo lugar sería muy difícil.
  3. Tantas misiones a la vez reducirían en gran medida el presupuesto efectivo de la NASA, lo que dificultaría el lanzamiento de nuevas misiones en el futuro. Esto terminaría con menos ciencia, ya que nuevos instrumentos mejores están disponibles todo el tiempo.

Hacer un duplicado de un instrumento puede ser útil. Por ejemplo, las dos sondas Voyager son clones, al igual que los dos módulos de aterrizaje Viking. Este nivel de redundancia puede ser útil y no cuesta mucho más.

Quizás le interese saber que hay una misión en la planificación que se parece mucho a la suya. Son los satélites de expedición planeados por Planetary Resources para identificar satélites para extraer minerales. Tomará esencialmente un satélite duplicado y lo enviará a muchos objetivos potenciales diferentes. Esto tiene perfecto sentido, usar copias de sondas de bajo costo para estudiar muchos objetivos alrededor del Sistema Solar, aprendiendo tanto como sea posible.

Excelente respuesta. Estoy bastante seguro de que MRO no ha tomado imágenes de todo Marte en su resolución más alta. No creo que haya suficiente ancho de banda (incluso durante años) para devolver esos datos.
@ Freddo411 Tiene su segunda resolución más alta, usando Contexto. Con HiRISE, en realidad es alrededor del 10% del planeta fotografiado en este momento, pero el ancho de banda es una gran limitación.
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