Насколько недоступны спутники Юпитера с Марса с технологией, разработанной для полета на Марс?

Вернемся к нашему старому другу плоттеру свиных отбивных . От Земли до Юпитера с использованием минимального топлива требуется около 2 лет, и у вас есть одна возможность в год, более или менее, добраться туда. Вы можете сократить поездку примерно до 20 месяцев с минимальным запасом топлива. Дельта-V, требуемая на Земле (сверх космической скорости), составляет около 9,3 км/с (теоретически вы можете аэродинамически тормозить на Юпитере, хотя вовлеченные скорости и радиационная среда могут сделать это немного захватывающим).

От Марса до Юпитера с минимальным запасом топлива требуется больше времени. Интуитивно я думаю, что это потому, что орбитальная скорость Марса вокруг Солнца ниже. Время в пути составляет около 30 месяцев, но необходимая дельта-V (опять же помимо побега с Марса) составляет всего около 6 км/с.

Ожидается, что полностью заправленный космический корабль SpaceX будет иметь скорость дельта-V около 9 км / с (с очень небольшой полезной нагрузкой), поэтому он может достичь Юпитера при дозаправке на высокой эллиптической околоземной орбите или, возможно, непосредственно с поверхности Марса. Дозаправки на низкой орбите Марса, безусловно, будет достаточно.

Базы на астероидах вряд ли сильно помогут. Совместить с ними орбиту слишком сложно, и вам, вероятно, все равно придется доставлять туда топливо. Если бы вы могли производить топливо на Церере, это было бы весьма привлекательно с точки зрения дельта-V и массы полезной нагрузки, хотя миссия стала бы еще медленнее.

TLDR : Если вы можете производить топливо на Марсе или на Церере, это поможет вам переместить больше полезной нагрузки на Юпитер без необходимости запуска безумного количества топлива с Земли, но такие миссии, как правило, дольше по продолжительности, чем прямые миссии.

Чтобы расширить в ответ на комментарий @Pablo. На странице плоттера написано:

Настоящее приложение обеспечивает чрезвычайно эффективное (хотя и приблизительное) решение задачи наведения Ламберта (LTP) для создания v-бесконечных графиков старта и прибытия свиных отбивных между целями Солнечной системы, выбранными пользователем. Метод решения основан на работах:

Приближенное аналитическое решение задачи Ламберта о нацеливании. Клаудио Бомбарделли, Хуан Луис Гонсало, Хавьер Роа. В журнале «Наведение, контроль и динамика» (представлено). 2017.

Приближенное аналитическое решение задачи Ламберта о нацеливании. Клаудио Бомбарделли, Хавьер Роа, Хуан Луис Гонсало. Документ AAS 16-212 на 26-м совещании механиков космических полетов AAS/AIAA, Напа, Калифорния, США, 14–18 февраля 2016 г.

Я предполагаю, что уравнения/алгоритмы будут найдены в этих статьях.

Я составил таблицу для сравнения таких сценариев: Hohmann.xls .

Вводя Землю в ячейку планеты отправления и Марс в планету назначения, я получаю
окна запуска, открывающиеся каждые 2,14 года (синодический период)
Время полета 0,71 года
Дельта V Низкая околоземная орбита до низкой орбиты Марса: 5,7 км/с

Ввод Марса в планету отправления и Юпитер в пункт назначения:
Окно запуска: каждые 2,23 года Время полета 3,1 года
Дельта V Низкая орбита Марса к орбите захвата Юпитера: 4,4 км/с

Орбита захвата Юпитера имеет перицентр на 300 км выше верхней границы облаков Юпитера и апоапсис на расстоянии около 4,8 миллиона километров.

Чтобы совместить орбиту с Луной, потребуется больше времени. Высоту больших спутников Юпитера можно найти в ячейках с J27 по J30. Например, установка целевой орбиты Юпитера на высоте Европы увеличивает дельту V до более чем 10 км/с. Это не принимает во внимание гравитацию Европы.

Из-за сильного магнитного поля Юпитера спутники Юпитера страдают от очень жесткой радиационной обстановки.

Предостережение: моя таблица предполагает круговые копланарные орбиты. Так что точность только примерная.

TL;DR Отправиться с Марса на спутники Юпитера намного сложнее, чем с Земли на Марс.

Используя превосходную электронную таблицу @HopDavid, мы получаем дельта-V около 6,9 км/с для трехлетней миссии от высокоэллиптической орбиты Марса до Каллисто, единственной из больших лун, где уровень радиации является приемлемым для человека . К этому нам нужно добавить около 2,4 км/с для посадки на Каллисто (у которого нет атмосферы).

Итак, если предположить, что мечты Илона Маска сбудутся и все компоненты архитектуры его миссии на Марс осуществятся, как может выглядеть миссия на Юпитер через десять лет или около того, если она будет выполнена таким образом?

Здесь обсуждается способность дельта-V полностью заправленного звездолета, и она составляет около 9,4 км / с без полезной нагрузки, поэтому этого недостаточно для наших целей, но близко. Я вижу несколько способов решения этой проблемы:

1. Используйте очень высокий$I_{sp}$вспомогательная двигательная установка малой тяги, такая как ионный двигатель, на соответствующих этапах миссии. Это делает траектории довольно безнадежными для расчета, а существующие имеют настолько плохое отношение тяги к массе, что неясно, насколько они могут помочь, но технологии могут развиваться.
2. Постановка (своего рода): запустите танкер Starship рядом с транспортным средством с экипажем и после первоначального разгона от Марса используйте оставшееся топливо, чтобы пополнить транспортное средство с экипажем и покинуть берущего. У меня нет под рукой цифр, но этот подход должен сработать, если вы готовы выбросить достаточно танкеров (которые вы уже доставили на Марс, а затем заправили на эллиптической орбите). Это становится дорого. Возможно, вам удастся закольцевать танкеры вокруг Юпитера и вернуть их на Землю или Марс много лет спустя.

Наша следующая задача — сохранить жизнь экипажу в течение трех лет. Нам понадобится ядерный реактор (к этому моменту солнечная энергия становится немного слабее), но как только он у нас появится, у нас будет много аварийных ситуаций, поэтому мы сможем перерабатывать воду и освещать теплицу, чтобы выращивать пищу и очищать воздух. . Мы также можем перерабатывать CO2 обратно в кислород, если направим на него достаточно энергии. Для всего этого наука ясна, но технология потребует некоторой работы. Однако это более или менее те же самые технологии, которые нужны нам для жизни на Марсе. Даже в этом случае нам потребуется изрядное количество припасов, чтобы компенсировать неизбежные потери.

Так что нам может понадобиться еще больше транспортных средств, чтобы летать вместе с нами, полными припасов.

Когда мы прибудем, нам понадобится заранее настроить некоторую инфраструктуру. Так что, как и большинство планов марсианских миссий, мы, вероятно, отправим роботизированную миссию-предшественник несколькими годами ранее, чтобы создать нашу базу и производство топлива. Его можно было бы отправить с помощью буксира с медленным ионным двигателем, а не израсходовать еще больше звездолетов. Роботам нужно будет находить и добывать как водяной лед, так и лед из углекислого газа, чтобы производить основные материалы для человеческой базы и возвращаемого топлива. Аммиачный лед, если он присутствует, будет удобным источником азота. Это, безусловно, сложно для робототехники, но опять же, колонизация Марса может сильно затруднить развитие роботизированной добычи льда.

В конце концов, мы захотим вернуться домой. Возвращаясь к электронной таблице, мы обнаруживаем, что нам нужно 4,9 км/с, чтобы добраться от орбиты Каллисто до траектории к Земле (путешествие за 2,7 года). С дополнительными 2,4 км/с, чтобы уйти от Каллисто, мы находимся в пределах возможностей нашего (теперь довольно старого) звездолета, хотя возвращение в атмосферу, когда мы доберемся до Земли, будет трудным (около 14 км/с), но мы у нас нет огромного количества полезной нагрузки, поэтому нам может понадобиться еще один космический корабль (или, может быть, запас топлива на орбите Каллисто), чтобы нести нашу еду и т. д. для обратного пути (который мы вырастили под светом на Каллисто).

Пока мы были там, наш звездолет был неплохим транспортным средством для исследования (при условии, что мы его не изнашиваем). Он может совершить взлет, значительное маневрирование в пространстве Юпитера и еще иметь топливо для посадки на Каллисто. Посещение других больших лун должно быть беспилотным (или, может быть, очень быстрым) из-за радиации.

Так что вывод вполне положительный. Технологии, которые мы могли бы разработать в течение десятилетия или около того, колонизируя и исследуя Марс, могут позволить нескольким выносливым (и терпеливым) исследователям занять плацдарм на Каллисто. Это было бы дорого (выбрасывание нескольких многоразовых ракет-носителей), но нет явно нерешаемых проблем.