¿Por qué no viajar a Marte en 2 meses?

La respuesta a tu pregunta del título "¿Por qué no viajar a Marte en 2 meses?" ya ha sido respondida. Dinero. Montones y montones de dinero.

Primero debemos notar que la respuesta a una pregunta diferente: "¿Por qué la gente no ha ido a Marte?" es muy parecido. Dinero. Sin embargo, la cantidad de dinero para ir en dos meses es muchas veces mayor que el dinero para ir en ocho meses. O incluso seis meses. Para ir allí en dos meses, estás subiendo la parte muy empinada de la ecuación del cohete exponencial.

Ensamblar el vehículo en LEO no cambia sustancialmente la masa total requerida en LEO. Todo lo que hace es permitirle usar más vehículos de lanzamiento más pequeños en lugar de menos vehículos de lanzamiento grandes. (Digo "todos", pero de hecho es una gran mejora de costos no tener que desarrollar nuevos vehículos de lanzamiento gigantes).

Tenga en cuenta que el "solo" en su "Si el único obstáculo para lograr esto fuera una gran cantidad de combustible requerida" oculta el hecho importante de que debe llevar el combustible a donde debe usarse. Ahí es donde se gasta todo el dinero.

Para responder a las diferentes preguntas en el cuerpo sobre cuánto más combustible y cómo minimizarlo, consulte este documento para conocer algunas investigaciones sobre transferencias rápidas y minimizar sus costos. En ese papel, se puede ver por sólo el$\Delta V$para dejar la órbita de la Tierra y dejar la órbita de Marte (por lo que sin incluir el aterrizaje y el despegue de Marte, o la Tierra para el caso), vamos de$5.6\,\mathrm{{km}/s}$a$28.6\,\mathrm{{km}/s}$! Y eso solo se reduce a un tiempo de viaje de aproximadamente 2,5 meses, no a sus dos meses.

Tenga en cuenta que la velocidad está en el exponente de la ecuación del cohete. Aquí ni siquiera estás multiplicando, sino elevando el término exponencial a la quinta potencia para acercarte a tus dos meses. Lo que ese término exponencial fue en primer lugar depende del impulso específico de los cohetes que estás usando. Para la propulsión química típica, el término era de aproximadamente 3,5 para una transferencia de Hohmann. ¡Sube a unos 580 por una transferencia de 2,5 meses! Unas 170 veces la masa.

Eso significa alrededor de 170 veces el costo . Habría ahorros en la curva de aprendizaje en la producción en masa de tantos vehículos de lanzamiento tan grandes, pero todavía estamos hablando de alrededor de cien veces el costo. Incluso si asumo cohetes térmicos nucleares con un impulso específico de$1000\,\mathrm{s}$, entonces obtener transferencias de 2,5 meses costaría 10 veces más. Incluso si me imagino tratando de extraer Fobos para obtener combustible de retorno, todavía estamos hablando de muchas veces el costo. Y todo esto pasa por alto la masa de los sistemas de propulsión: asumí una masa cero para ellos, donde tenerlos en cuenta, con la puesta en escena, reduciría el impulso específico efectivo. También he pasado por alto el costo de llegar a ambos cuerpos a velocidades mucho más altas, lo que requiere sistemas de entrada o sistemas de inserción en órbita mucho más masivos.

No hay problemas con el tiempo de transferencia más largo que no se pueda resolver con mucha, mucha menos masa. Por ejemplo, más suministros, más protección contra la radiación, centrífuga para la gravedad, etc. En resumen, sería muchas veces el costo de ir allí significativamente más rápido, sin otro beneficio aparente que la reducción del aburrimiento.

Teniendo en cuenta que no hemos enviado a nadie ni siquiera por una vez el costo, la respuesta a su pregunta ahora debería ser muy clara.

En otra pregunta, las proporciones de una nave espacial que vuelve a entrar en comparación con la masa de combustible , exploré la ecuación del cohete Tsiolkovsky y la tiranía de la misma. En el enlace relacionado de la NASA , Don Pettit explica que, incluso usando la órbita de transferencia de Hohmann entre la Tierra y Marte, que es la más eficiente en combustible, se necesita tanto cambio de velocidad para romper LEO y dirigirse hacia Marte como para ir. desde la plataforma de lanzamiento hasta LEO. ¿De dónde viene esa energía? Bueno, proviene de empujar gases supercalientes por el tubo de escape.

Entonces, dada una nave espacial de aproximadamente la masa del transbordador espacial (solo como ejemplo, el vehículo de Marte puede ser más grande, tal vez más pequeño), que es de 110 toneladas más hasta 24 toneladas de carga, para llevar eso a LEO normalmente quemamos alrededor de 725 toneladas de combustible LH2/LOX a través de los motores principales, más alrededor de mil toneladas de combustible de perclorato en los SRB. El peso bruto de despegue del Transbordador es de 2 mil toneladas, de las cuales el vehículo orbital y la carga representan un máximo del 6,7% de la masa bruta de despegue. Hay algo de masa inherente en la estructura de soporte del tanque y los SRB de lo que se tiene en cuenta aquí, pero no tanto como pensarías; el tanque externo SLWT, por ejemplo, tiene una masa vacía de solo el 3,7% de su masa cargada.

Una vez que el transbordador está en LEO, eso suele ser todo; lleva una pequeña cantidad de combustible para su quema de salida de órbita y para maniobrar, pero los motores principales están fríos durante todo el resto del viaje. Sin embargo, ahora estamos hablando de sacar esa masa de LEO y ponerla en una órbita de transferencia a Marte. En realidad, eso requiere aproximadamente el mismo delta-V que para llegar a LEO y, por lo tanto, aproximadamente la misma cantidad de combustible (tenemos que quemar un poco más de combustible para salir de la atmósfera debido a la resistencia; la ecuación de Tsiolkovsky asume un "ideal": resistencia -menos - cohete). Entonces, tome esas 135 toneladas, sujete otras 1725 toneladas de combustible y tal vez 140 toneladas de estructura de soporte, y despegue nuevamente desde LEO hacia partes desconocidas.

... Pero espera, ¿de dónde vino ese combustible? Tenemos que sacar el combustible del pozo de gravedad de la Tierra. Eso requiere que levantemos 1725 toneladas de carga útil a LEO en lanzamientos posteriores para "reabastecer" nuestra nave en órbita. Suponiendo que podamos usar un vehículo derivado del Transbordador, como el Sistema de Lanzamiento Espacial, para hacerlo con una carga útil total por lanzamiento similar a la del lanzamiento del Transbordador (eventualmente será posible; SLS Block II está diseñado para transportar 130 toneladas de carga útil a LEO y probablemente podamos mejorar eso), y también suponiendo que la nave espacial que lanzamos pueda mantener su tanque de combustible en lugar de desecharlo como lo hace el transbordador, tomaría alrededor de 13 lanzamientos (los lanzamientos que consisten básicamente en un gran tanque de combustible en parte superior de un tanque de combustible más grande) para poner suficiente combustible en órbita para enviar nuestra nave de camino a Marte.

... Pero espera, queremos poder volver de Marte. Bueno, eso requiere un delta-V similar al de llegar allí en primer lugar. Entonces, necesitamos 1725 toneladas de combustible para sacar nuestra nave espacial de 135 toneladas de la órbita de Marte y regresar a la Tierra. ¿Cómo llega ese combustible a Marte? Viaja con la nave espacial. Y eso significa que necesitamos más de 1725 toneladas de combustible para romper la órbita terrestre. De hecho, necesita las mismas 22 425 toneladas que calculamos que necesitaríamos para llevar las 1725 toneladas de combustible de la Tierra a LEO, que ahora se usarán para romper la órbita de Marte. Estas 22.425 toneladas se utilizarán para salir de la órbita terrestre y llevar las 1.860 toneladas del vehículo y devolver combustible a Marte.

Y ese combustible ahora necesita ser levantado de la gravedad de la Tierra hacia LEO para que pueda atarse a la parte trasera de nuestro cohete mucho más grande. Para levantar 22.425 toneladas de combustible, 135 toneladas a la vez, hasta LEO se necesitarían 166 lanzamientos más, además de los 13 necesarios para el combustible de retorno, más el lanzamiento del vehículo real, para un total de 180 lanzamientos desde la Tierra. superficie a LEO para poner esta nave en órbita y combustible para su partida. En otras palabras, necesitaríamos más lanzamientos de SLS que lleven solo combustible que lanzamientos totales combinados de Saturn V y Shuttle (que son los únicos dos vehículos que hemos lanzado con la capacidad de elevación incluso cerca de hacer el trabajo). Cada uno de esos lanzamientos necesita 1725 toneladas de combustible, para 310,500 toneladas de combustible quemadas solo para llevar el vehículo y el combustible a LEO. Entonces el barco mismo se quemará 22, 425 toneladas de combustible llegando a Marte, luego 1725 toneladas regresando, para un gasto total de combustible de alrededor de 335,000 toneladas. Entonces, los costos de combustible no son tan malos; para LH2/LOX, a una mezcla de 11%-89% y precios de hoy ($ 5,50/kg LH2, $ 0,20/kg LOX), estamos viendo alrededor de $ 250 millones en costos de combustible sin procesar, más pérdidas de gases de escape (el hidrógeno y el oxígeno líquidos no se quedan en forma líquida a temperatura ambiente ).

Sin embargo, los costos totales de lanzamiento son un gran problema. El SLS, si alcanza sus objetivos de costos, costará alrededor de 500 millones de dólares por lanzamiento. 180 lanzamientos para llevar el vehículo y el combustible a LEO representa un costo de alrededor de $ 90 mil millones solo para llevar el material al espacio. Realmente diseñar y construir lo que estamos lanzando podría superar el billón de dólares, dado que no puede fallar ; si la tripulación tiene un "problema" a medio camino de Marte, como el que tuvo el Apolo 13, las posibilidades de que regresen a la Tierra de manera segura son nulas.

Como @oefe señaló en los comentarios, ya cubriste las razones por las que no usas el lanzamiento directo a Marte bastante bien en tu pregunta, así que voy a suponer que no te has tomado el tiempo suficiente para todos estos conceptos bastante difíciles. aclara en tu propia mente, y te indicaré una descripción bien escrita y relativamente fácil de entender, que debería ayudar con eso. De los conceptos básicos de vuelo espacial del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, Sección I, Capítulo 4. Trayectorias interplanetarias :

Cuando viaje entre los planetas, es una buena idea minimizar la masa propulsora que necesita su nave espacial y su vehículo de lanzamiento. De esa manera, dicho vuelo es posible con las capacidades de lanzamiento actuales y los costos no serán prohibitivos. La cantidad de propelente necesaria depende en gran medida de la ruta que elija. Las trayectorias que por su naturaleza necesitan un mínimo de propulsor son, por tanto, de gran interés.

Órbitas de transferencia de Hohmann

Para lanzar una nave espacial desde la Tierra a un planeta exterior como Marte usando la menor cantidad de propulsor posible, primero considere que la nave espacial ya está en órbita solar mientras se encuentra en la plataforma de lanzamiento. Esta órbita solar existente debe ajustarse para que lleve la nave espacial a Marte: el perihelio de la órbita deseada (el acercamiento más cercano al sol) estará a la distancia de la órbita de la Tierra, y el afelio (la distancia más alejada del sol) estará a la distancia de la órbita de Marte. Esto se llama una órbita de transferencia de Hohmann. La porción de la órbita solar que lleva la nave espacial desde la Tierra hasta Marte se llama su trayectoria.

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                                                 ^{La Tierra a Marte a través de la órbita de mínima energía}

^{Cita y fuente de la imagen: Conceptos básicos de vuelos espaciales del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, Sección I, Capítulo 4. Trayectorias interplanetarias}

Y así sucesivamente y sugiero leer todo el lote. Es la descripción más fácil y aún suficientemente completa de la economía de los vuelos espaciales interplanetarios que se me ocurre y, a veces, todo lo que se necesita es leerla o escucharla en diferentes palabras para entenderla realmente. Otro recurso que sugiero es leer también la publicación de blog de Emily Lakdawalla sobre ¿Por qué MAVEN y Mars Orbiter Mission están tomando caminos tan diferentes hacia Marte? Pero primero comenzaría con el JPL de la NASA, ya que trata los conceptos, luego pasaría a un ejemplo real como se describe en el blog de Emily.

Entonces, como ves, todo esto se reduce a la economía. Por ejemplo, se espera que el proyecto Mars One use 4 lanzamientos separados de Delta IV Heavy (cuatro de los cohetes más potentes disponibles actualmente) para lanzar las piezas requeridas a la órbita terrestre baja (LEO), usar el ensamblaje en órbita y luego lanzar todo. de eso en una órbita de transferencia de Hohmann hacia Marte. Si intentaran lanzar todas las partes requeridas en una trayectoria más directa, tendrían que usar muchos más lanzamientos (es la capacidad de elevación lo que lo está arrastrando hacia abajoy necesitaría más combustible para alcanzar la velocidad de escape para una trayectoria más directa, lo que requiere una mayor delta-v, lo que agrega más masa, lo que requiere más empuje, ad nauseum), y haga eso al mismo tiempo para el montaje en la trayectoria, de lo contrario terminas con partes persiguiéndose indefinidamente. Para decirlo de otra manera, simplemente no tenemos capacidad de elevación disponible para una trayectoria más directa hacia el lanzamiento de Marte. E incluso si lo hubiéramos hecho, todavía podríamos lanzar una masa mucho mayor hacia Marte al requerir menos delta-v al usar la trayectoria de transferencia de Hohmann.

Además de las respuestas anteriores, se debe agregar que, suponiendo que pueda llegar a Marte muy, muy rápido, llegará allí con una velocidad muy alta en relación con Marte. Esto hace que el problema de aterrizar en Marte sea mucho más difícil. Además, si algo sale mal en la inserción de Marte, los exploradores marcianos se lanzarán al espacio profundo sin vuelta atrás. El plan Mars Direct requería transferencias de Hohmann en parte porque si algo sale mal durante la inserción en Marte (o en el camino a Marte), la órbita puede continuar de regreso a la Tierra con un mínimo de combustible necesario.

Todas las respuestas anteriores tienen muy buenos puntos. Pero es aún más difícil que eso. Incluso con sistemas de propulsión especulativos, será muy difícil ir rápidamente a Marte. Siguiendo la observación de Wertz (enlace cerrado, lo siento) de que si la transferencia es lo suficientemente rápida podemos evitar esperar mucho tiempo para regresar, fui coautor de un estudio preliminar que estimaba la masa requerida para ir y regresar lo suficientemente rápido utilizando modernos e incluso un sistema de propulsión muy especulativo. El estudio ha sido aceptado para su publicación en J. Astronautical Sciences, pero hay una versión preliminar disponible aquí .. La conclusión es que incluso con un sistema de propulsión muy especulativo, requerirá mucho, ¡mucho! - de masa para hacerlo. Un estudio más detallado solo para maniobras impulsivas también se presentó este año en el Congreso Astronáutico Internacional (resumen aquí , pronto se enviará a una revista) y la conclusión es básicamente la misma: necesitamos sistemas de propulsión mucho mejores para considerar la posibilidad de ir mucho más rápido que la solución habitual tipo Hohmann.