Может ли кубсат добраться до Марса?

Я предполагаю, что вы имеете в виду под движением сам CubeSat.

Не в данный момент! В основном из-за ограничения пропускной способности (срок службы двигателя) небольших двигателей с электрическим двигателем (EP), разработанных для CubeSats.

Прямо сейчас ведущим двигателем CubeSat EP является BIT-3 (это двигатель, который будет использоваться для полета на Луну в ответ на мой ответ на ваш первоначальный вопрос).

Вот соответствующие характеристики:

Интернет-провайдер: 3500

Тяга: 1,4 мН

Срок службы двигателя: 20 000 часов = 2,28 года.

Предполагая 20-килограммовый 6U CubeSat, вот неоптимальная симуляция траектории с малой тягой.

Это занимает 2,36 года времени тяги, что превышает срок службы двигателя, составляющий 2,28 года. Однако мы очень близки к тому, чтобы это стало возможным. Это моделирование не учитывает выход на марсианскую орбиту или выход на орбиту ухода Земли с орбиты запуска. Оба они еще больше нарушат ограничение пропускной способности.

Наконец, многие люди ошибочно полагают, что для этого потребуется много топлива. Это неверно. В приведенном выше моделировании используется только 3,04 кг топлива из общей массы 20 кг, что на самом деле мало, если подумать. Топливо не является проблемой, когда дело доходит до EP.

Давайте рассмотрим несколько возможных примеров, основываясь на ответе @ben и ответе @ Knudsen .

Мы знаем, что кубсаты MarCo могли перемещаться с Земли на Марс с

• управление ориентацией с помощью реактивных колес и двигателей холодного газа
• научные данные и коллекция изображений
• связь напрямую с Землей через уникальную выдвижную плоскую антенну с высоким коэффициентом усиления
• 70 Вт солнечной энергии на расстоянии 1 а.е. от двух развертываемых солнечных панелей плюс аккумуляторная батарея
• стандартный форм-фактор 6U

для получения дополнительной информации см. этот ответ и ссылки в нем.

Итак, давайте примем дизайн MarCo. Они не предоставили собственную двигательную установку, поэтому давайте добавим силовую установку непосредственно к начальной конфигурации MarCo 6U, 14 кг и назовем ее 10U и 22 кг. Дополнительный объем 4U в основном предназначен для двигателей и дополнительного топлива, дополнительный бюджет в 8 кг массы предназначен для двигателей и дополнительных солнечных панелей для большей электроэнергии, особенно вблизи Марса, и еще целую кучу топлива!

В поисках, по крайней мере, существующих электрических двигательных установок кубсатов, которые вы могли бы установить в кубсат 3U сегодня (или в ближайшее время), первое, что мне попалось в поисках, — это IFM Nano Thruster для кубсатов . Я уверен, что есть и другие варианты, давайте просто используем это в качестве примера. Согласно этой странице:

Dynamic thrust range        10 μN to 0.5 mN
Nominal thrust              350 μN
Specific impulse            2,000 to 5000 s
Propellant mass             250 g
Total impulse               more than 5,000 Ns
Power at nominal thrust     35 W incl. neutralizer

У нашего кубсата будет почти достаточно электроэнергии для двух двигателей на 1 а. мощность наших новых двигателей. Теперь у нас есть 140 Вт на расстоянии 1 а.е. и ~60 Вт на расстоянии 1,5 а.е. вблизи Марса.

Предположим, что наш кубсат стартует на круговой НОО на высоте 400 км с орбитальной скоростью, заданной уравнением vis-viva :

С$a=(6378+400) \times 1000$метров и стандартный гравитационный параметр Земли $GM_{Earth}=$3,986E+14 м^3/с^2, орбитальная скорость около 7700 м/с.

Чтобы достичь скорости убегания Земли и вывести ее на гелиоцентрическую орбиту, ответ @MarkAdler говорит нам, что дельта-v, необходимая для медленной спирали с малой тягой, направленной наружу, чтобы уйти с очень низкой скоростью относительно Земли, равна орбитальной скорости на начинать.

Дельта-v от НОО до гелиоцентрической составляет около 7700 м/с по спирали малой тяги.

Переходя от 1 а.

Используя стандартный гравитационный параметр Солнца$GM_{Sun}=$1,327E+20 м^3/с^2, 1AU ~ 1,5E+11 метров и 1,0 и 1,5 AU как орбитальные расстояния Земли и Марса, мы можем получить разницу скоростей 29700 м/с минус 24300 м/с или около 5400 м/с.

Дельта-v от 1 а.е. до 1,5 а.е. гелиоцентрическая составляет около 5400 м/с по спирали малой тяги.

Два наших готовых двигателя с топливными баками по 250 г каждый могут обеспечить суммарный импульс до 10 000 ньютон-секунд. При средней массе около 20 кг это дает только дельта-v 500 м/с, а мы ищем более чем в десять раз больше, даже если мы уже достигли гелиоцентризма на расстоянии 1 а.е. Это из расчета на 500 грамм топлива.

К счастью, мы добавили 8 кг к нашему бюджету массы, поэтому, если бы мы добавили дополнительные 5 кг топлива, мы получили бы общий импульс в 100 000 ньютон-секунд и дельта-v около 5000 м/с.

Заключение:

Предварительный расчет, начиная с кубсата, подобного MarCo, с продемонстрированной способностью полета с Земли на Марс, увеличенного с 6U 14 кг до 10U 22 кг с двумя существующими конструкциями двигателей и еще 5 кг топлива, мы можем получить с гелиоцентрической орбиты в 1 а.е. на орбиту в 1,5 а.е. с использованием солнечной электрической тяги.

Это длинная, медленная спираль, многие десятилетия или, возможно, столетие. Вам понадобится еще больше топлива, чтобы сделать это быстрее, используя солнечную электростанцию, но даже 50% больше сократит время вашего перехода до десятилетия или около того, основываясь на некоторых простых расчетах, которые я сделал здесь .

Вам также понадобится внешний ускоритель, чтобы сначала получить дельта-v от НОО до скорости убегания Земли до гелиоцентрической орбиты.

ниже: Источник: запись в блоге Планетарного общества Эмили Лакдавалла MarCO: CubeSats to Mars!

Нашел в этом ответе .

КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ МАРКО: инженер Джоэл Стейнкраус стоит рядом с обоими космическими аппаратами Mars Cube One (MarCO) в Лаборатории реактивного движения НАСА. Тот, что слева, сложен так, как он будет храниться на ракете; у того, что справа, солнечные батареи полностью развернуты, а сверху установлена ​​антенна с высоким коэффициентом усиления.

Альтернативная двигательная установка будущего с еще более высоким Isp и, следовательно, требующая меньшей массы топлива:

• http://neumannspace.com/science/
• https://spacenews.com/more-startups-are-pursuing-cubesats-with-electric-thrusters/
• Начнется ли тестирование двигателя Неймана на борту МКС где-то в 2018 году?
• В какую сторону направит двигатель Неймана (на МКС), какова будет его максимально возможная тяга?

Обнадеживающее видео: