Requisitos para orbitar Plutón

Este estudio de misión arrojó una nave espacial de propulsión nuclear-eléctrica de 900 kg lanzada en un Ariane V con un C3 de 100 km ² /s ² y una asistencia de gravedad de Júpiter en el camino. Se requiere energía eléctrica de 1,05 kW en Pluto de RTG. Serían cuatro RTG "clásicos" de la NASA, o alrededor de nueve MMRTG. Tiene una carga útil científica de 20 kg. (New Horizons tiene ~30 kg de instrumentos, un RTG clásico, con una masa de lanzamiento de 478 kg).

Hay algunas suposiciones optimistas (¡¿solo un 20% de margen de masa seca en la mayoría de los componentes?!), pero esto da una idea general de la escala de tal misión. No está fuera de discusión, pero definitivamente estaría en la clase de costo insignia, comparable a Cassini. Cassini tiene tres RTG clásicos, pero usa propulsión química.

Esta es probablemente la respuesta más fácil si tomamos el mismo perfil de misión y solo rastreamos desde el sobrevuelo de Plutón hacia atrás. Haré algunas suposiciones bastante amplias y aproximaciones de primer orden, como que la NASA tenía su propulsor de iones NEXT desarrollado al más alto nivel de preparación tecnológica (existían cuando se lanzó New Horizons, pero no en el TRL requerido para realmente lanzar en un viaje al espacio profundo de descubrimiento ).

También les ahorraré detalles molestos y supondré que si podemos llevar a New Horizons cerca de un punto muerto en algún lugar de Plutón y en relación con él desde ~ 13,79 km/s , eso sería suficiente. Delta-v para insertarse en la órbita de Plutón a partir de ese momento no será mucho en comparación con todo lo demás que necesitamos cambiar, parte del trabajo sería simplemente caer hacia él por su propia gravedad, luego circular a la altitud deseada. También supondré que el espacio orbital está libre de desechos. Prepárate, va a ser un trabajo sucio, tipo Mos Eisley Spaceport ;

• Masa de lanzamiento de Hew Horizons: ~ 478 kg
• Masa de un solo propulsor NEXT: ~ 100 kg (estimación)
• Entorno de potencia del propulsor NEXT: ~ 6,9 kW
• 6,9 kW a 16 años de funcionamiento (~ 7,9 kW BoF) Masa de combustible de GPHS-RTG : 1503,4 kg
• Masa del radiador de exceso de potencia térmica de RTG de 108 kW : ~ 12,000 kg (est.)
• Masa adicional de armadura/estructura: ~ 4000 kg (est.)
• Masa seca total: ~ 18.080 kg
• Masa de reacción de xenón del propulsor NEXT para Δv de 13,79 km/s @ Isp de 4190 s: ~ 8220 kg
• Masa húmeda total: ~ 26.300 kg

Así que obtuvimos una propulsión que es excelente para el trabajo pero que no estaba realmente disponible en ese momento, con 205,7 kg de plutonio para nuestro RTG que nadie realmente tenía disponible en tal cantidad, y algunas estimaciones bastante pequeñas para la masa de sistemas adicionales. y el combustible de xenón necesario para la masa de lanzamiento de la sonda de 478 kg a 26 300 kg . Y ese es solo el comienzo de la historia de nuestro orbitador improvisado de Plutón que ahora se lanza$(22,190\text{ kg} \times 13.79\text{ km/s} / 236\text{ mN})^{(1/2)}$o unos 6 años y 4 meses antes para llegar a Plutón al mismo tiempo que lo hará New Horizons, suponiendo que no se rompa nada y que el rendimiento de nuestro propulsor NEXT no se degrade durante este tiempo adicional de empuje continuo de 236 mN y consumiendo 6,9 kW de nuestro RTG generado energía.

Nuevamente, todo esto es subestimar generosamente el problema y arrojarle tecnología que aún no estaba lista, requiriendo piezas y consumibles que no estaban disponibles y tendrían que operar durante más de seis años más sin degradación en el rendimiento (pero tuve en cuenta Tasa de decaimiento del Pu-238 con una vida media de 87,7 años), es decir, si New Horizons se convirtiera en un orbitador en el puerto espacial de Mos Eisley , tendría 55 veces su masa de lanzamiento como sonda de sobrevuelo.

No estoy seguro de cómo o sobre qué podría arrojar tal masa fuera de la Tierra y darle tal patada para llegar a tiempo, pero eso es un asunto diferente. Tenga en cuenta que una misión de más de seis años también significa que la Tierra y Plutón no se alinean tan bien y eso conlleva aún más problemas. Pero ahora tiene un orbitador, y con suficiente potencia para los próximos siglos incluso para transmitir datos científicos y de telemetría a un ritmo mucho más rápido. Oh, es posible que también desee una mejor antena transceptora, más grande y quizás una que pueda girar independientemente del orbitador, a diferencia de la versión de sobrevuelo de New Horizons, para que pueda recibir y transmitir hacia la Tierra sin tener que apartar la vista del objetivo. de tus observaciones. Espero que Plutón valga la pena, lo más probable es que si lograste entrar en su órbita, estarás allí mucho, mucho tiempo. ;)

Otros le darán diferentes estimaciones, dependiendo de su elección de sistemas de propulsión y potencia, pero esa es mi opinión al respecto. No leí las sugerencias hechas en su enlace, porque quería ver cómo funciona eso por mi cuenta. Esta es ahora una edición actualizada con recálculo para el tiempo de empuje requerido (no estoy seguro de dónde obtuve esos números que conecté antes, pero estaban lo suficientemente apagados como para justificar una segunda mirada). Espero que esto ayude.

Para resumir la respuesta de TildalWave:

• Igualar la velocidad con Plutón en la intersección requiere una gran cantidad de ∆v, lo que requiere un propulsor de iones en lugar de un cohete químico;
• Los propulsores de iones consumen mucha energía eléctrica;
• La energía solar es muy difícil de conseguir tan lejos del sol, lo que requiere un generador térmico de radioisótopos muy pesado en lugar de paneles solares.

Esta publicación de Slashdot contiene un cálculo del peso de lanzamiento para un orbitador, utilizando estas restricciones:

• la misma sonda que New Horizons
• el mismo tiempo de vuelo que New Horizons, transitando a la misma velocidad que NH (11 km/s)

The Space Shuttle Main Engines, one of our most efficient rocket engines, has an Isp of 4.436 km/s. By the rocket equation [this means that, to change velocity by 11 km/s using this engine, a spacecraft would need a ratio of wet mass to dry mass of exp(11/4.436) = 11.9. In other words, to stop the New Horizons probe at Pluto, we'd need to have sent along an extra 10.9 times its mass in fuel. And that's ignoring the mass of the engine and tankage, which makes things worse.

Fuel boil-off... is an additional problem: it means we couldn't use the liquid-hydrogen/liquid-oxygen propellant used by the SSMEs, but some more stable (and less efficient) propellant, which further increase the required fuel mass.

...New Horizons se lanzó en un Atlas V 551, que tiene una capacidad de 19t a LEO. Por lo tanto, enviar la sonda más 10,9 veces su masa en combustible requeriría una capacidad equivalente de ~11,9*19 = 226 t a LEO. El Saturno V, el lanzador más potente jamás fabricado, tenía una capacidad de 118 t a LEO. Por lo tanto, necesitaría dos lanzamientos de Saturno V, en órbita, para obtener una nave espacial con suficiente combustible para volar a Plutón y detenerse allí. (Probablemente 3-4 lanzamientos, si considera los otros problemas descritos anteriormente).