Начиная с дозаправки на НОО, сколько полезной нагрузки сможет звездолет с теплозащитой мягко приземлиться на Меркурий после гравитационного воздействия Венеры?

Этот вопрос может быть важным продолжением этого, потому что в этом ответе подсчитано, что полезная нагрузка на Меркурий без помощи гравитации, вероятно, будет минимальной, поэтому, если уже может быть достигнуто умеренное снижение скорости космического корабля, это вызовет относительно большое изменение полезной нагрузки в лучшую сторону.
Из этого ответа я узнал, что Starship просто не предназначен для того, чтобы выдерживать тепло, которое он поглотит, путешествуя так близко к Солнцу. Но давайте предположим, что у него будут дополнительные термостойкие слои или теплозащитные экраны для радиационного охлаждения , в то время как у него уже есть теплозащитный экран на брюхе для аэродинамического торможения.

Поскольку целью помощи гравитации Венеры было бы замедление космического корабля, а у Starship были бы необходимые тепловые экраны, аэродинамическое торможение в верхних слоях атмосферы Венеры было бы дополнительным вариантом, хотя эффект от него, вероятно, было бы трудно рассчитать.

Наконец, разве не было бы выгодно, если бы Starship мог медленно догонять Меркурий где-то между его перигелием и афелием, где орбитальная скорость планеты увеличилась бы с почти 39 км/с до 59 км/с всего за 44 дня?
Или это около афелия, потому что тогда есть больше времени, чтобы отрегулировать скорость?

Теплозащитный экран Starship не является солнцезащитным. Это сделано для того, чтобы обеспечить аэродинамическое торможение на гиперзвуковых скоростях в атмосфере в течение нескольких минут, а не выдерживать интенсивный лучистый нагрев в вакууме месяцами кряду. Эти две вещи будут спроектированы совершенно по-разному, и солнцезащитный козырек в значительной степени исключит аэродинамическое торможение в качестве опции. И самой большой проблемой для достижения Меркурия является простая дельта-v. Проблема не в нехватке времени, а в том, что вы физически не можете нести топливо, необходимое для выполнения работы с химическим двигателем без нескольких одноразовых ступеней.
У Starship есть потенциал стать первым космическим кораблем действительно общего назначения, способным достичь большей части Солнечной системы с помощью орбитальной передачи топлива и ISRU, но я не думаю, что вы полностью понимаете, насколько экстремальным является случай с Меркурием. Вполне возможно, что вы сможете добраться до него на звездолете, но вам будет гораздо лучше на специализированном космическом корабле, разработанном с нуля для этой миссии, с несколькими большими одноразовыми ступенями или какой-либо совершенно другой двигательной технологией, такой как ядерная или солнечно-тепловая. ракеты и, вероятно, компонент только для орбиты, если вы собираетесь что-то вернуть.
Кроме того, это только для того, чтобы добраться до него ... для колонизации вам просто не повезло: полюса Меркурия находятся в верхней части списка самых недоступных мест на поверхности во всей Солнечной системе. Какие бы другие преимущества вы ни видели, не имеет значения, если вы даже не можете их получить .
@ChristopherJamesHuff Таким образом, Starship может просто использовать свой живот для аэродинамического торможения, а после ухода с Венеры он может повернуться своей задней стороной с его излучающей охлаждающей поверхностью к Солнцу. Если космическому кораблю удалось бы, с некоторыми поправками, приблизиться к Меркурию таким образом, не будет ли оставшаяся необходимая дельта-v скоростью убегания Меркурия, равной 4,3 м/с?
Вы не защищаете от почти ртутного уровня инсоляции каким-то покрытием на задней стороне, которое может выдержать проход через атмосферу на скоростях полета Венеры. Я не знаю, почему вы даже пытаетесь сделать это с радиационным охлаждением на обращенной к солнцу поверхности. Что вам нужно, так это что-то гораздо ближе к солнцезащитному козырьку MESSENGER, и больше изоляции на самом автомобиле для защиты от самого ртути. И нет, оставшаяся дельта-v — это не скорость убегания Меркурия… это минимум, который был бы, если бы Меркурий был один в пустом пространстве. На самом деле он находится глубоко в гравитационном колодце Солнца.
Для подробного рассказа о путешествии MESSENGER к Меркурию есть эта статья
@ BrendanLuke15 Да, это очень подробно, я бы не осмелился просить такой подробный ответ! :)

Ответы (2)

Один пролет Венеры помогает, но не делает путешествие возможным для Starship.

Ниже приведен график траекторий 2025–2030 годов от Земли до Меркурия, которые однажды пролетели мимо Венеры. Они нанесены уходом Земли Δ В (ось X, от 250 км НОО) и прибытие Меркурия Δ В (ось Y, относительная скорость Меркурия на высоте 0 км):

возможные траектории

Было более 1,7 миллиона возможных траекторий (синие точки). Минимальная сумма Δ В составляет 11,65 км/с и показана красной точкой. Черная линия показывает Δ В предел бесполезной нагрузки Starship, 8,94 км / с . Траектория работает, только если она лежит ниже этой линии.

Более сложные траектории с несколькими пролетами становятся все более дорогими (в вычислительном отношении) для поиска и выходят за рамки моего набора навыков. Глядя на McAdams, J et al. «MESSENGER - шесть основных маневров, шесть облетов планет и 6,6 лет на орбите Меркурия», Успехи в области астронавтики. 142. (2012). , окончательный рассказ о путешествии MESSENGER на орбиту Меркурия, мы можем суммировать основные маневры, чтобы найти Δ В стоимость для сравнения нескольких пролётов:

Маневр: Δ В (км/с) Примечания
«Запуск» (от LEO) 3,94 спина рассчитывается из C3 16,4 к м 2 / с 2 и НОО 250 км, рис. 5
ДСМ-1 0,3156 Таблица 5
ДСМ-2 0,2274 Таблица 5
ДСМ-3 0,0722 Таблица 5
ДСМ-4 0,2467 Таблица 5
ДСМ-5 0,1778 Таблица 5
МВД 0,8617 Таблица 5
DeOrbit для посадки 0,02 стоимость изменения орбиты 15265 км x 207 км на 15265 км x 0 км
Посадка 3,98 скорость в перицентре на орбите 15265 км x 0 км
МЕССЕНЖЕР Итого 5,84 ( 1,90 на космическом корабле )
Всего за посадку 9,84 сумма всех маневров

Даже если Starship пойдёт по сверхэффективной (но за 6,6 лет!) траектории MESSENGER, он всё равно не сможет приземлиться на Меркурий.

Вероятно, также можно с уверенностью сказать, что траектория, подобная MESSENGER, находится на верхних границах эффективности, что, вероятно, представляет собой минимум Δ В бюджет для того, чтобы добраться до Меркурия и, соответственно, приземлиться на него.

Впечатляющая работа! Мне нужно время, чтобы проверить это, насколько это возможно для меня.
Общая сумма @Cornelis для MESSENGER от LEO для равного сравнения со Starship, я сделаю это яснее (запуск, вероятно, не то слово!)
Вы использовали уравнение v1 = -u1 + 2u2, упомянутое на en.wikipedia.org/wiki/Gravity_assist#Derivation , и если да, можете ли вы указать значения v1,u1 и u2?
@ Корнелис нет. Для проверки и количественной оценки возможной гравитации Венеры я использовал решатель задач Ламберта для создания двух 2D-матриц, содержащих отправление и прибытие. в ∞ значения для каждого «участка» предлагаемой траектории. В моем ответе этап 1 — от Земли до Венеры, а этап 2 — от Венеры до Меркурия, всего четыре двумерных матрицы. Однако две из этих матриц содержат одну и ту же метрику, в ∞ на Венере....
@Cornelis ... Если я поищу в этих двух матрицах дату, когда в ∞ равны, то гиперболический пролет Венеры может быть возможен для этого набора из 3 дат (выбранная дата пролета Венеры, которая соответствует в ∞ на Венере для этапа 1 и этапа 2 будут определять даты отправления Земли и прибытия Меркурия). Большинство решателей Ламберта дадут вам в ∞ вектор (компоненты x, y, z).....
@Cornelis .... Вы можете использовать входящий (этап 1) и исходящий (этап 2) Венеры в ∞ векторы для определения гиперболического угла отклонения ( 2 ν в Википедии ) для облета. Используя это уравнение из Википедии, вы можете определить р п значение, необходимое для работы гравитационного облета. Очевидно, если р п находится ниже поверхности планеты или в атмосфере, то пролет с помощью гравитации невозможен.
@Cornelis Я добавлю это в ответ на этот вопрос , где его можно лучше переварить (и, возможно, несколько картинок / примеров)

Одна вещь, которую следует иметь в виду, — это компромисс между использованием гравитации, выравниванием планет при запуске и продолжительностью миссии.

Теоретически возможно использовать несколько проходов Земли, Луны, Венеры и Меркурия, чтобы обеспечить помощь гравитации в различных перестановках. Перестановки еще больше увеличиваются, если скромные изменения deltaV могут быть применены в любой момент миссии.

BepiColombo использует один гравитационный ассист Земли, два Венеры и шесть Меркурия, и на это уйдет 7 лет. Даже для одной гравитационной помощи Венеры может быть значительная временная задержка в переходе между планетами. Этот вариант может быть недоступен в течение некоторого времени (или, возможно, в большинстве или многих лет), и каждый вариант, вероятно, будет обеспечивать различный уровень выгоды в зависимости от того, насколько оптимально согласование и других факторов.

https://en.wikipedia.org/wiki/Gravity_assist#Ограничения

Начиная с дозаправки на НОО, сколько полезной нагрузки сможет звездолет с теплозащитой мягко приземлиться на Меркурий после гравитационного воздействия Венеры?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v