Зонд с ионной тягой, движущийся по прямому курсу, является приемлемым вариантом для облета. Вам нужна общая дельта-V около 70 000 км/ч для прямого курса ускорение-движение вперед-торможение. Чуть лучший путь - одиночный пролет не-хохмана. Это связано с тем, что текущий существующий зонд имеет достаточную дельта-V, чтобы совершить поездку в указанный период времени с современной технологией и с текущими запасами топлива. (Отмечая, что у рассматриваемого зонда закончится топливо к тому времени, когда он обесточится.)

Данные

Космический корабль Dawn имеет общее ожидаемое накопление векторов 38 000 км/ч, или около 10,4 км/с (space.com), в то время как эфемеридные данные «Вояджера-2» (theskylive.com) показывают относительную скорость Солнца 15,4 км/с. Зонд, запущенный в 2020 году, мог бы, для пролета, использовать прямой запуск, чтобы добраться до Седны — обратите внимание, что это приведет к тому, что время полета перигелия составит около 35 лет без более эффективного двигателя и большего относительного количества топлива, чем космический корабль Dawn. Зонд Dawn, заменив один или два прибора дополнительным топливом, вероятно, мог бы двигаться прямым курсом с топливом для замедления, но ему не хватило бы мощности, чтобы использовать его.

Приближения первого порядка достаточно для начальных целей разработки миссии - я не инженер, и фактические расчеты не нужны, поскольку большая часть пути будет проходить по инерции.

Ядерный реактор «Топаз» теоретически был способен проработать 5 лет на 12 кг топлива при общей установленной массе примерно 350 кг, производя 5 кВт. Этого достаточно для работы двигателей Dawn Thrusters. Более свежий

Обсуждение

Кубсат непрактично мал. Однако это хороший размер для минимальной научной полезной нагрузки. Заря имеет 425 кг топлива, около 90 кг приводов на 1200-килограммовом корабле; для привода ионных приводов на дальнем конце потребуется не менее 4 кВт.

Это дает нам разумно пригодный для запуска профиль миссии — используя солнечную энергию для выхода и удаленный запуск установки деления для фазы торможения, мы можем повысить производительность запуска. Сократив количество инструментов миссии, мы также можем увеличить загрузку топливом.

какие-то очень расплывчатые оценки из-за отсутствия конкретных данных

Нам нужно около 450 кг силовой установки, около 100 кг приводов, около 50 кг навигационного обеспечения, около 100 кг конструкции. Это означает, что мы можем получить около 600 кг топлива, и заметьте, что я предполагаю наличие запасного топлива для чуть более эффективного ядерного реактора и примерно на 6% больше эффективности двигателя NStar.

Орбитальная скорость Марса составляет около 23 км/с; марсианский облет должен быть в состоянии обеспечить скорость 5 км/с или более - и перенаправление на исходящий прямой полет с задержкой всего в 6 месяцев или около того.

600 / 425 ≅ 1,41
38 000 * 1,41 ≅ 53640 км/ч ∆V общего количества топлива
53640 / 2 ≅ 26820 км/ч транзитная скорость (уменьшение вдвое для замедления в конце)
Это примерно 5577 часов на а.е., или 232 дня на а.е., или 0,637 года на а.е.

нам нужен импульс - мы можем получить дополнительные 50% от облета/перенаправления Марса. Что дает нам около 155 дней на а.е. или около 0,42 года на а.е.
76 * 0,42 ≅ 31,9 года. Нам нужно удвоить время разгона и торможения.

Итак - модифицировал хохмана на марс для редиректа, а потом прямиком на седня, тормозя на последних годах.

Рассвет имеет ускорение 2100 дней...
2100 * 1,41 ≅ 2960 дней или около 8,1 года на каждом конце
примерно 40 лет времени в пути.

это приближение первого порядка говорит о том, что мы могли бы справиться с этим, и оно достаточно близко, чтобы кто-то более опытный в вычислениях, чем я, мог рассчитать эффекты гравитации, пролета и ускорения. Я также был крайне консервативен, игнорируя начальную скорость Земли 6,28 а.е./год. Кроме того, дополнительный небольшой импульс можно получить от облета Луны при запуске. Таким образом, можно приблизиться.

Зонд исходного вопроса недостаточно велик для необходимого текущего оборудования; Я работаю с текущей «готовой» технологией, экстраполируя только запас топлива для ядерного реактора на 40 лет (350 кг для реактора на 5 лет и 12 кг на каждые дополнительные 5 лет, отмечая, что период полураспада для запас топлива реактора превышает 10 ^ 7 лет ... Зонд, оказавшись на станции, может работать с пониженной топливной экономичностью еще несколько лет.

Нижняя линия

Подходящий зонд размером с зонд «Рассвет» можно было бы поставить на станцию ​​с готовыми компонентами и тщательным проектированием, а также с вариантом существующей силовой установки космического назначения. Зонд исходного вопроса неправдоподобен.

использованная литература

1. http://www.space.com/8579-nasa-spacecraft-breaks-speed-boost-record.html
2. http://theskylive.com/voyager2-трекер
3. https://en.wikipedia.org/wiki/ТОПАЗ_ядерный_реактор
4. www.esto.nasa.gov/conferences/nstc2007/papers/Patterson_Michael_D10P3_NSTC-07-0014.pdf
5. http://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/marsfact.html

Я пролетел мимо Юпитера, нырнул к Солнцу и быстро зажег химическую ракету в перигелии. С разумно звучащей скоростью 2,2 км/с и перигелием 0,3 а.е. я могу добраться до Седны за 50 лет. (5,5 лет, чтобы добраться до Солнца, 44,5 года до Седны.)

На расстоянии 0,3 а.е. мне приходится мириться с интенсивностью солнечного излучения в одиннадцать раз большей, чем на Земле. Solar Probe спроектирован так, чтобы выдерживать более чем 600-кратную интенсивность.

Может, мне стоит подойти поближе. Я могу уменьшить горение до 1,3 км/с с перигелием 0,1 а.е.

Объект с постоянной Якоби L1 Юпитера может иметь сильно меняющуюся большую полуось. И что-то с постоянной Якоби L2 Юпитера может найти путь к L1 Сатурна. И т. д. Но изменение большой полуоси с помощью повторяющихся возмущений обычно занимает много проходов. Перигелий Седны составляет около 76 а.е. Путешествие Хохмана от 1 а.е. до 76 а.е. заняло бы 120 лет. И путешествие, основанное на повторяющихся планетарных возмущениях для его дельты V, заняло бы намного больше времени. 56-летняя поездка в Седну через ITN не кажется мне правдоподобной. Соотношение масс 50 со здоровым ISP может сделать это (поскольку я не знаю, как смоделировать постоянную малую тягу, я не могу сказать вам да или нет). Но я не уверен, что Ло и другие имеют в виду это, когда говорят об ITN.

Я думаю, что лучший способ добраться до Седны — это посмотреть на космические корабли, которые сейчас находятся на космической скорости Солнца.

Спасательная скорость

New Horizons был первым космическим кораблем, запущенным прямо на траекторию ухода от Солнца. Однако корабль использовал гравитационный ассистент Юпитера. Он достигнет 100 а.е. от Солнца за 32 года, но, скорее всего, не будет функционировать после 2026 года, когда у него закончится мощность.

«Вояджер-1» и «Вояджер-2» использовали несколько гравитационных ассистентов, чтобы достичь своей текущей скорости. "Вояджер-1" достиг 100 а.е. от Солнца примерно в 2006 году, после 29 лет полета. «Вояджер-2» достиг этого расстояния в 2012 году, спустя 35 лет после запуска. Оба космических корабля все еще функционируют, но они едва ли могут увеличить свою научную полезную нагрузку.

Космический корабль Pioneer также использовал гравитационные спутники Юпитера и Сатурна. Предполагается, что с 2014 года оба корабля находятся на расстоянии более 100 а.е. от Солнца. Однако контакт был потерян до того, как они достигли этого расстояния.

Детали траектории

Как видно выше, достичь орбиты Седны можно менее чем за 30 лет. Через 60 лет Седна будет ближе, но разница будет невелика (менее 10% от нынешнего расстояния). Итак, мы можем запустить зонд сейчас, вместо того, чтобы ждать.

Как показали нам «Новые горизонты», космический корабль можно направить прямо на скорость убегания от Солнца. Однако мы можем использовать гравитацию, чтобы сократить время полета.

Каждые 12 лет Юпитер находится на месте гравитационного ассистента Юпитера .

Каждые 29 лет Сатурн находится на месте гравитационного сопровождения Сатурна .

Каждые 59 лет и Юпитер, и Сатурн находятся в состоянии двойной гравитационной помощи .

Облетная миссия достигнет Седны через 20-30 лет. Однако отправить орбитальный аппарат или посадочный зонд будет очень сложно, если не невозможно.

Задача - Облет

Облет Седны почти аналогичен облету «Новых горизонтов» к Плутону. Мы можем использовать ту же конструкцию космического корабля, только нам понадобится гораздо более эффективный РИТЭГ (радиоактивный термоэлектрический генератор), чтобы он продолжал работать через 30 лет. Зонд совершит быстрый облет, затем потратит несколько лет на отправку всех данных обратно на Землю. Такого рода миссии осуществимы и доступны с текущим бюджетом НАСА.

Задача - орбитальный аппарат

Если мы отправим орбитальный аппарат к Седне, у нас есть два пути: во-первых, нам нужно замедлить его, чтобы выйти на орбиту. Во-вторых, мы можем отправить его с очень низкой скоростью, достаточной для выхода на орбиту. Первый метод потребует огромного количества топлива и резко увеличит вес корабля при запуске. Одной из альтернатив является использование ионного двигателя, приводимого в действие корабельным РИТЭГом, для снижения скорости за последние 10 лет до столкновения. Однако количество энергии, все еще доступной в это время, ограничено. Отправка зонда с небольшой скоростью может быть решением, но через 100 лет он достигнет Седны. В то время его РИТЭГ снизил бы выработку энергии до очень низкого уровня, и в любом случае никто из строительной бригады не увидит результаты.

Задача - посадка

Отправить посадочный модуль в Седну еще сложнее, чем орбитальный аппарат. Однако, если мы проведем быстрый облет, мы можем использовать импактор , аналогичный тому, который использовался в миссии Deep Impact. Это, по крайней мере, позволит нам получить близкое изображение с поверхности и увидеть состав подповерхностного слоя в месте удара.

Проблемы

• Основная проблема с «Седной» — количество времени, необходимое для облета. Основной проблемой является распад энергии РИТЭГов.
• Светимость ниже, чем на Плутоне, поэтому камерам потребуется более длительное время выдержки.
• Масса и гравитация Седны неизвестны. Мы лишь приблизим его диаметр.
• Неизвестно, есть ли вокруг Седны луны, кольца или что-то еще на орбите, что может повредить космический корабль.
• Задержка связи является проблемой. Отправив сообщение на корабль, нам понадобится земной день, чтобы получить ответ.
• Мощность сигнала уменьшается на квадрат расстояния. Мощность сигнала на Седне будет в 6,5 раз слабее, чем на Плутоне, а это означает, что космическому кораблю потребуется в 6,5 раз больше времени, чтобы загрузить все свои данные. Если нам понадобилось больше года, чтобы загрузить данные с New Horizons, нам понадобится, вероятно, 10 лет для зонда, исследовавшего Седну.
• Поскольку мы не знаем основных данных о Седне (масса, гравитация, ось орбиты, возможные спутники и космический мусор), существует высокая вероятность риска. Корабль должен будет провести некоторые предварительные исследования перед пролетом, затем ему потребуются сильные маневры для коррекции траектории. Сначала он будет сканировать возможные спутники или кольца, чтобы проанализировать риск столкновения, а затем определит ось вращения, чтобы увидеть, какой маршрут лучше всего подходит для облета. По мере приближения зонд получит изображение дальней стороны Седны с низким разрешением, а затем получит изображение стороны встречи с высокой детализацией. Затем, когда он окажется за Седной, зонд зафиксирует солнечное затмение, чтобы увидеть, есть ли атмосфера. В целом, это были шаги, проделанные New Horizons на Плутоне.

Вывод

Аналогичная миссия New Horizons, но с более мощным РИТЭГом, в конечном итоге с помощью облетов Юпитера и Сатурна, может добраться до Седны через 20-30 лет.

Возврат образца Седны

Даже если это невозможно с современными технологиями, это очень интересная тема. Можно ли отправить миссию по возврату образцов Седны?

Чтобы получить ответ, мы должны обратиться к уже запущенным космическим миссиям.

Конструкция корабля: космический корабль должен содержать орбитальный аппарат и посадочный модуль. Посадочный модуль достигнет поверхности Седны, возьмет образец и вернется. У него должно быть достаточно топлива, чтобы приземлиться и вернуться. Орбитальный аппарат должен использоваться как ретранслятор связи с Землей, и у него должно быть достаточно топлива, чтобы вернуться на Землю. На орбитальном аппарате также должен быть РИТЭГ, достаточно прочный, чтобы проработать до 100 лет.

Для этого нам следует взглянуть на космические аппараты ESA Rosetta и Philae. В Седне низкая гравитация, но, вероятно, нет атмосферы. Итак, топливо нам нужно и при посадке, и при старте, но не в слишком большом количестве. Мы не знаем скорость убегания Седны, но у Плутона она равна 1,2, что в 10 раз меньше, чем у Земли. У Филы было 100 кг. Наш посадочный модуль будет весить около 250 кг, а все топливные баки будут заполнены гидразином.

Орбитальный аппарат должен будет обследовать и нанести на карту Седну, затем он развернет посадочный модуль, затем подождет, затем захватит посадочный модуль и вернется домой. У Rosetta было от 1500 до 2000 кг, а у New Horizons всего 500 кг. Нам понадобится самый легкий космический корабль, чтобы сохранить гидразин.

Посадочный модуль может работать от аккумулятора. Орбитальному аппарату понадобится РИТЭГ. Плутоний, используемый в РИТЭГах, имеет период полураспада более 80 лет, но термопары не живут так долго. По сути, энергия, производимая РИТЭГом, уменьшается вдвое примерно за 25 лет. Миссия займет, вероятно, 100 лет, поэтому производство энергии снизится до менее чем 10%. Это означает, что без как минимум 100 кг плутония миссия по возврату проб невозможна. Можно было бы использовать резервный пустой РИТЭГ, чтобы перезалить в него плутоний. Зонд с посадочным модулем и без топлива не должен весить более 1000 кг.

Транспортное средство будет включать в себя посадочный модуль, орбитальный аппарат, а также огромное количество топлива, необходимого для снижения скорости корабля, а также топливо, необходимое для отправки зонда обратно на Землю. Всего нам, возможно, придется отправить в космос 5000 кг.

Запуск. Единственный способ отправить в космос такой большой космический корабль — это использовать одну из самых больших существующих ракет. Atlas V вряд ли будет достаточно.

Траектория. О том, чтобы отправить зонд прямо на скорость убегания Солнца, не может быть и речи. Мы должны использовать преимущества Юпитера и возможных облетов Сатурна. Если возможно, пролет Марса или Земли также полезен. Это также приведет к тому, что вам потребуется больше времени, чтобы добраться до Седны. Это займет в лучшем случае 40 лет.

Фаза приближения к Седне. Зонд приблизится к Седне с большой скоростью, вероятно, 15 км/с. На такой скорости захватить на орбиту невозможно. Приходится как-то снижать скорость. Об использовании обычных химических двигателей не может быть и речи из-за огромного количества необходимого топлива. Единственным решением будет ионный двигатель. Как показал нам Dawn, с 400 кг ксенона ему удалось создать общую тягу, близкую к 10 км/с. Таким образом, можно, если РИТЭГ вырабатывает достаточно энергии, снизить скорость с 15 км/с до 1 км/с за 12 лет.

Бонусный корабль. Еще одна миссия, которая может принести пользу от встречи с Седной, — это быстрый пролет. Мы можем добавить третий космический корабль с собственным РИТЭГом и набором научных инструментов, который будет отделяться от основного корабля перед замедлением. Бонусный корабль продолжит движение с той же скоростью и вскоре достигнет межзвездной среды. Его масса может достигать 300 кг, что немного по сравнению с уже необходимыми 5000 кг.

Фаза орбиты Седны. Оказавшись на орбите, зонд сначала выйдет на высотную орбиту, чтобы найти спутники и охарактеризовать систему Седна. Как и Dawn на Весте, а затем на Церере, наш зонд выйдет на более близкие орбиты, составив карту карликовой планеты и, на заключительном этапе, ища место для посадочного модуля. Наконец, он развернет посадочный модуль, у которого будет несколько дней, чтобы приземлиться, исследовать поверхность, пробурить, взять образцы и вернуться. Чтобы вернуться к орбитальному аппарату, спускаемому аппарату потребуется выполнять высокоточные маневры. Для завершения орбитальной фазы, вероятно, потребуется 5 лет.

В конце этой фазы космический корабль должен будет отсоединить весь ненужный вес. Это может включать большую часть его научной полезной нагрузки, пустые топливные баки, посадочный модуль (за исключением бака с образцами) и использованный РИТЭГ.

Также можно заставить весь космический корабль приземлиться на Седну без необходимости в специальном посадочном модуле. Однако это приведет к увеличению потребности в топливе.

Фаза возврата. Седна имеет низкую гравитацию. Как показано выше, скорость убегания Плутона немного превышает 1 км/с. Для Седны это, вероятно, 0,7. Орбитальная скорость составляет всего 1,07 км/с. Таким образом, космическому кораблю потребуется тяга всего 2 км/с, чтобы оторваться от поверхности Седны и достичь скорости 0 км/с относительно Солнца. В этот момент солнечная гравитация сделает всю работу и направит корабль по траектории к Солнцу. Полученная орбита будет не прямой линией, а чем-то больше похожим на траекторию долгоживущей кометы.

По мере приближения зонда его скорость будет постепенно увеличиваться. Он будет двигаться очень медленно до орбиты Нептуна. Чтобы ускорить процесс, почти весь оставшийся ксенон должен быть использован ионными двигателями для увеличения скорости. Если нет, то путь до Земли может занять 400 лет. Никто не хочет ждать так долго. Итак, мы должны разогнать корабль хотя бы до 10 км/с.

Когда зонд проходит орбиту Нептуна, его скорость быстро увеличивается. На орбите Земли космический корабль может двигаться на 30 км/с быстрее Земли. Приземлиться на Землю с такой огромной скоростью может стать невозможно. Для замедления лучше всего использовать облет Юпитера и, возможно, другие облеты.

Посадка на Землю. Заключительный этап миссии — посадка на Землю. В то время, спустя почти 100 лет, РИТЭГ будет производить лишь очень небольшое количество энергии. Многие устройства не будут работать. Возможно, было бы неплохо иметь на борту небольшую солнечную батарею, чтобы обеспечить энергию, необходимую для заключительного этапа миссии. Космический корабль проведет последние маневры по коррекции траектории, а затем отделит резервуар с образцами от Седны. Только образцы вернутся, мягко приземлившись с помощью парашюта. Космический корабль выйдет на солнечную орбиту или сгорит в атмосфере.

Заключение миссии: после 100 лет путешествия и с большими затратами миссия вернет на Землю образец из Седны. Вероятно, будут образцы с поверхности, материалы, пробуренные с глубины нескольких метров, и атмосферный образец (если он есть у Седны). Кроме того, зонд может принести образцы пыли, собранные в пути.

В этой миссии есть одна большая проблема. На Седне многие твердые породы на самом деле могут быть газами на Земле. Из Плутона мы знаем, что его кора почти полностью состоит из веществ, которые на Земле должны быть газами или жидкостями. Камни, привезенные из Седны, должны расплавиться или даже испариться. В лаборатории у ученых возникнут большие проблемы с анализом образцов. Необходимое длительное время и деградация образцов, а также высокая стоимость миссии - вот причины, по которым миссия по возврату образцов в Седну невыполнима.

PS: Ни один космический корабль не летал так долго, и никто никогда не проектировал сложные электронные устройства, способные работать 100 лет. Миссия на Седне требует, чтобы все устройства работали спустя много лет. Кроме того, для фазы возвращения мы должны убедиться, что навигационные компьютеры, двигатели, РИТЭГ и реактивные колеса работают исправно до конца миссии. Миссия по возвращению образцов будет сопряжена с большим риском, потому что у нас недостаточно времени для тестирования всех систем и подсистем.

Кроме того, есть много неизвестных вещей. Никто не знает, какова масса и гравитация Седны. Мы должны спроектировать корабль с расчетной максимальной массой, чтобы убедиться, что у нас достаточно топлива. А так как мы не знаем точную массу, то невозможно узнать, сколько топлива останется на фазу возврата. Если у нас будет больше топлива для фазы возвращения, мы сможем получить наши образцы быстрее, но нам придется заново рассчитать обратный маршрут и пролет Юпитера, чтобы уменьшить скорость.

Кроме того, поскольку мы не знаем массы, мы не знаем, как выйти на орбиту. Все эти неизвестные параметры означают, что многие части миссии придется рассчитывать быстро и только тогда, когда корабль доберется до определенной точки. Не будет много времени для оценок и резервных планов. Мощные компьютеры на Земле должны решить, что делать в течение нескольких часов.

Задержка связи большая из-за расстояния. Не будет много времени для анализа проблем. Очень полезно запрограммировать корабль на автоматический поиск наилучшей траектории.