Требования к орбите Плутона

В рамках этой миссии был запущен 900-килограммовый космический корабль с ядерно-электрической силовой установкой, запущенный на Ariane V с C3 100 км ² /с ² и гравитационным ассистентом Юпитера по пути. Требуется электрическая мощность 1,05 кВт на Плутоне от РИТЭГов. Это будет четыре «классических» РИТЭГа NASA или около девяти MMRTG. Он имеет 20-килограммовую научную полезную нагрузку. (У New Horizons ~30 кг приборов, один классический РИТЭГ со стартовой массой 478 кг.)

Есть некоторые оптимистичные предположения (всего 20% запаса сухой массы по большинству компонентов?!), но это дает общее представление о масштабах такой миссии. Это не исключено, но он определенно будет во флагманском ценовом классе, сравнимом с Cassini. «Кассини» имеет три классических РИТЭГа, но использует химический двигатель.

На этот вопрос, вероятно, проще всего ответить, если мы возьмем тот же профиль миссии и просто проследим от пролета Плутона в обратном направлении. Я сделаю несколько довольно общих предположений и приближений первого порядка, например, что НАСА разработало свой ионный двигатель NEXT до высочайшего уровня технологической готовности (они существовали, когда запускались «Новые горизонты», но не на уровне TRL, необходимом для фактического запуска в дальний космос) . открытия ).

Я также избавлю вас от надоедливых подробностей и просто предположу, что если мы сможем приблизить «Новые горизонты» к полной остановке где-нибудь на Плутоне и относительно него со скоростью ~ 13,79 км/с , этого будет достаточно. Дельта-V, которую нужно будет ввести на орбиту Плутона с этого момента, будет не так уж велика по сравнению со всем остальным, что нам нужно изменить, часть работы будет просто падать на него под действием собственной гравитации, а затем вращаться на некоторой желаемой высоте. Я также предполагаю, что орбитальное пространство свободно от мусора. Приготовьтесь, это будет грязная работа типа космодрома Мос-Эйсли ;

• Стартовая масса Hew Horizons: ~ 478 кг
• Масса одного двигателя NEXT: ~ 100 кг (приблизительно)
• Диапазон мощности подруливающего устройства NEXT: ~ 6,9 кВт
• 6,9 кВт @ 16 лет эксплуатации (~ 7,9 кВт BoF) Масса топлива GPHS-RTG : 1503,4 кг
• Масса радиатора избыточной тепловой мощности РИТЭГ мощностью 108 кВт : ~ 12 000 кг (оценка)
• Дополнительная масса фермы/конструкции: ~ 4000 кг (оценка)
• Общая сухая масса: ~ 18 080 кг
• Реакционная масса ксенонового двигателя NEXT для Δv 13,79 км/с при Isp 4190 с: ~ 8220 кг
• Общая сырая масса: ~ 26 300 кг

Таким образом, мы получили силовую установку, которая отлично подходила для этой работы, но в то время была недоступна, с 205,7 кг плутония для нашего РИТЭГа, которого на самом деле ни у кого не было в таком количестве, и несколько довольно скромных оценок массы дополнительных систем. и ксеноновое топливо, необходимое при стартовой массе зонда от 478 кг до 26 300 кг . И это только начало истории нашего импровизированного орбитального аппарата Плутона, который сейчас запускается.$(22,190\text{ kg} \times 13.79\text{ km/s} / 236\text{ mN})^{(1/2)}$или примерно на 6 лет и 4 месяца раньше, чтобы добраться до Плутона в то же время, что и New Horizons, при условии, что ничего не сломается и производительность нашего двигателя NEXT не ухудшится в течение этого дополнительного времени непрерывной тяги 236 мН и потребляя 6,9 кВт вырабатываемой нашим РИТЭГом сила.

Опять же, все это великодушно недооценивает проблему и бросает на нее технологии, которые еще не были готовы, требуя деталей и расходных материалов, которых не было в наличии и которые должны были бы работать более шести лет без ухудшения производительности (но я учитывал скорость распада Pu-238 с периодом полураспада 87,7 года), т. е. если бы New Horizons превратили в космопорт Мос-Эйсли в орбитальный аппарат, его стартовая масса в качестве пролетного зонда была бы в 55 раз больше.

Я не знаю, как или на чем можно было сбросить с Земли такую ​​массу и дать ей такой пинок, чтобы все-таки добраться туда вовремя, но это другое дело. Обратите внимание, что более чем шестилетняя миссия также означает, что Земля и Плутон не выстраиваются так хорошо, и это приводит к еще большему количеству проблем. Но теперь у вас есть орбитальный аппарат, и его мощности хватит на ближайшие столетия, чтобы даже передавать научные и телеметрические данные с гораздо большей скоростью. О, вам может понадобиться лучшая приемопередающая антенна, большая и, возможно, такая, которая может вращаться независимо от самого орбитального аппарата, в отличие от версии New Horizons для пролета, чтобы вы могли принимать и передавать на Землю, не отрывая глаз от цели. ваших наблюдений. Я надеюсь, что Плутон того стоит, скорее всего, если вы попали на его орбиту, вы будете там очень, очень долго. ;)

Другие дадут вам разные оценки, в зависимости от их выбора двигателей и систем питания, но это мой взгляд на этот вопрос. Я не читал предложения, сделанные по вашей ссылке, потому что хотел посмотреть, как это работает самостоятельно. Теперь это обновленное редактирование с пересчетом требуемого времени тяги (не уверен, откуда я взял те числа, которые я подставлял раньше, но они были подозрительно ошибочными, чтобы оправдать второй взгляд). Надеюсь это поможет.

В итоге ответ TildalWave:

• Сопоставление скорости с Плутоном на пересечении требует очень большого значения ∆v, что требует ионного двигателя, а не химической ракеты;
• Ионные двигатели потребляют много электроэнергии;
• Солнечную энергию очень трудно получить так далеко от солнца, что требует очень тяжелого радиоизотопно-теплового генератора, а не солнечных батарей.

Этот пост Slashdot содержит расчет стартовой массы орбитального аппарата с использованием следующих ограничений:

• тот же зонд, что и New Horizons
• такое же время полета, как у New Horizons, с той же скоростью, что и у NH (11 км / с)

Главные двигатели космического корабля "Шаттл", один из наших самых эффективных ракетных двигателей, имеют Isp 4,436 км/с. По уравнению ракеты [это означает, что для изменения скорости на 11 км/с с помощью этого двигателя космическому кораблю потребуется отношение сырой массы к сухой массе exp(11/4,436) = 11,9. Другими словами, чтобы остановить зонд «Новые горизонты» у Плутона, нам нужно было отправить дополнительное топливо в 10,9 раз больше его массы. И это без учета массы двигателя и бака, что усугубляет ситуацию.

Выкипание топлива ... является дополнительной проблемой: это означает, что мы не можем использовать жидкий водород / жидкий кислород, используемый SSME, а более стабильное (и менее эффективное) топливо, которое еще больше увеличивает требуемое количество топлива. масса.

...New Horizons был запущен на Atlas V 551 грузоподъемностью 19 тонн на НОО. Следовательно, чтобы отправить зонд плюс его массу в 10,9 раза больше топлива, потребуется эквивалентная мощность ~ 11,9 * 19 = 226 т на НОО. Saturn V, самая мощная пусковая установка из когда-либо созданных, имела грузоподъемность 118 тонн на НОО. Таким образом, вам потребуется два запуска «Сатурн-5», сближающихся на орбите, чтобы получить космический корабль с достаточным количеством топлива, чтобы долететь до Плутона и остановиться там. (Вероятно, 3-4 запуска, если учесть другие проблемы, описанные выше.)