Была ли возможна какая-либо ракета-носитель, которую можно было бы использовать для более тяжелого New Horizons с достаточным количеством топлива, чтобы выйти на орбиту Плутона? (добавление ~ 10 лет)

New Horizons имел стартовую массу 478 кг, из которых 77 кг приходилось на топливо, но только около 47,5 кг из них приходилось на изменение курса, а остальное зарезервировано для управления ориентацией. New Horizons был запущен со скоростью 16,26 км/с, что вывело его на траекторию выхода из Солнечной системы. Затем он также получил ускорение от пролета Юпитера.

Требования к топливу

Бюджет топлива New Horizon давал ему дельта-V «более 290 м / с». Его гидразиновое топливо имеет ISP (эффективность) около 220 секунд . Для выхода на орбиту вы обычно используете переход Хомана вместо траектории ухода, которую использует NH. Это означает, что космический корабль будет запускаться немного медленнее, так что он почти остановится при приближении к Плутону. Однако сам Плутон движется по своей орбите вокруг Солнца, и чтобы соответствовать его скорости, чтобы вращаться вокруг него, вам нужно дельта-V около 3000 м/с , то есть примерно в десять раз больше, чем было у NH. Обратите также внимание, что переход Хомана к Плутону занимает 45 лет вместо почти 10 лет, которые потребовались New Horizons.

Количество необходимого топлива экспоненциально зависит от требуемой дельта-V. Используя то же топливо, NH потребуется 1300 кг его, чтобы выйти на орбиту Плутона. Может быть, немного меньше, если он использует помощь гравитации Харона, но Плутон и Харон не очень большие, поэтому они не будут сильно помогать гравитации. Но для вывода на орбиту зонд обычно использует не однокомпонентное топливо гидразина, а более эффективное двухкомпонентное топливо. Галилео и Кассини использовали двухкомпонентное топливо MMH-NTO для своих главных двигателей. У «Кассини» ISP составлял 312 секунд, и, используя это, NH потребовалось бы «всего» около 720 кг топлива для вывода на орбиту. Обратите внимание, что я игнорирую дополнительную массу от больших топливных баков и более тяжелого двигателя.

Вместо переноса Хомана NH мог бы также использовать биэллиптический перенос. Это занимает намного больше времени, я не проводил расчетов, но, вероятно, здесь речь идет о гораздо более чем столетии. Согласно этому графику, биэллиптическая передача может уменьшить необходимую дельта-V примерно до 7,5%, когда время, которое вы берете, приближается к бесконечности. (примечание: r₂/r₁ для Земли и Плутона составляет около 30.) Это уменьшит необходимое количество топлива с 720 до 640 кг.

Могло ли это быть сделано?

Atlas V 551 был второй по мощности ракетой-носителем, существовавшей в то время. Единственным более способным был Delta IV Heavy. Конечно, если бы контракт был достаточно привлекательным, кто-то мог бы просто спроектировать новую сверхтяжелую ракету или просто воскресить Saturn V. Создание более крупных ракет относительно просто. Так что при наличии достаточного количества денег орбитальная миссия New Horizons, безусловно, была возможна. Однако НАСА ограничено в средствах, и этого не произошло бы только с зондом Плутона.

Delta IV чуть менее чем в два раза мощнее Atlas в том, что он может поднять. Однако я не знаю, как сделать точные расчеты того, что он мог запустить к Плутону, так как есть ряд усложняющих факторов. New Horizons был запущен со скоростью 16,26 км/с, но затем получил ускорение от Юпитера примерно на 4 км/с. Поскольку до Юпитера уже довольно далеко, эти 4 км/с означают (я думаю) немного меньшую дополнительную скорость, если бы ракете-носителю понадобилось бы обеспечить скорость. Таким образом, для перехода Хомана, который требует около 16 км/с, скорость старта с помощью Юпитера должна быть чуть больше 12 км/с. Во-вторых, при запуске использовался дополнительный Star 48B в качестве третьей ступени, чтобы дать NH больше скорости, чем Atlas мог обеспечить сам по себе. Star 48B весит 2137 кг..

NH будет весить примерно в 2,5 раза больше с топливом для траектории перехода Хомана, не считая дополнительной массы самого зонда для размещения дополнительного топлива. Delta лишь в два раза мощнее Atlas, но, возможно, более низкой скорости, необходимой для передачи Хохмана, достаточно, чтобы это стало возможным. А может и нет. Я не уверен.

межпланетная транспортная сеть

Есть и другие способы добраться до Плутона, известные как межпланетная транспортная сеть . Это означает, что вы неоднократно летаете мимо других планет, чтобы получить несколько гравитационных ассистентов. В принципе можно попасть в любую точку Солнечной системы с минимальными затратами топлива. Вам нужно только добраться до точки лагранжа Земля-Луна L1, и оттуда вы можете использовать помощь гравитации. Единственная проблема в том, что это намного медленнее, чем даже биэллиптический перенос. Итак, сколько времени у вас есть?

редактировать
О, вы ограничиваете дополнительное время до «еще одного десятилетия или около того». Это исключает даже простой переход Хомана и потребует разгона до траектории отхода, а затем крушения на Плутоне. Это было бы явно невозможно с ракетами, имевшимися в то время, а, вероятно, и с ракетами, которые существуют сейчас (единственная новая более мощная ракета - Falcon Heavy, но она не так хороша для доведения мелочей до очень высокой скорости .) Вам нужно будет дождаться космического корабля SpaceX или кого-то, кто построит ядерный реактор космического класса для питания ионного двигателя.

Ответ на вопрос 1 будет исходить из прибытия выбранной траектории$V_\inf$(гиперболическая избыточная скорость). Ответ на вопрос 2 будет исходить от запуска выбранной траектории$C3$(характеристическая энергия). Эти два связаны с индивидуальной траекторией, зависящей от дат и маршрутов (какие планеты пролетают). К счастью, у меня есть (студенческий) опыт поиска межпланетных траекторий.

Я решил сохранить (как было в полете) архитектуру миссии гравитационного ассистента Юпитера, чтобы попытаться использовать более низкий запуск.$C3$(по сравнению с прямым Плутоном) и более сильной гравитацией на Юпитере. Его также легче сравнить с основной миссией New Horizons во время полета.

Даты ограничения поиска:

• Даты запуска: 2003 г. - конец 2006 г.
• Даты JGA: 2003 г. - конец 2010 г.
• Даты прибытия на Плутон: 2008 г. – конец 2030 г.*
• данные вектора состояния из JPL Horizons (шаг 5 дней)

* Проект миссии «Новые горизонты» поддерживал прибытие к Плутону уже в 2020 году по прямой траектории Плутона ( Проект миссии «Новые горизонты», Гуо и др. )

Я использовал сильно модифицированную версию (в основном решатель Ламберта ) этого пакета обмена файлами MATLAB.$^1$для создания графиков свиных отбивных для каждого участка траектории (Земля-Юпитер, Юпитер-Плутон). Вот начальный этап (запуск$C3$) с фактическими аннотациями New Horizons:

Хитрость заключается в том, чтобы найти подходящие траектории от Юпитера к Плутону, соответствующие гиперболической избыточной скорости.$V_\inf$, приближаясь к Юпитеру и покидая его, обеспечивая «бесплатный» пролет / гравитационную помощь. Обычно я считаю достаточно близкой разницу менее 100 м/с.

Гиперболическая избыточная скорость прибытия к Плутону сильно способствует более медленному маршруту от Юпитера к Плутону (опять же, фактические аннотации New Horizons). Slower - это название игры здесь:

Второстепенным, не сразу очевидным ограничением является то, насколько близко вы готовы подойти к Юпитеру и его сильному излучению во время гравитационной помощи. New Horizons прошел на близком расстоянии около 33$R_J$, радиусы Юпитера ( МОНИТОРИНГ ТРАЕКТОРИИ И КОНТРОЛЬ ОБЛЕТА ПЛУТОНА НОВЫМИ ГОРИЗОНТАМИ, Guo et al. ). У меня нет хороших знаний о том, что является разумным расстоянием близкого сближения для космического корабля, летящего к Юпитеру (с точки зрения радиационного повреждения), поэтому пока я оставлю это ограничение широко открытым (просто не сближайтесь внутри Юпитера ) .

С этими ограничениями и запуском$C3$менее 150 км$^2$/с$^2$, существует 32 075 жизнеспособных траекторий , показанных здесь на этом изящном графике ключевых значений, которые нас интересуют:

Красные маркеры показывают область наиболее эффективных траекторий (низкая$C3$и$V_\inf$). Наиболее эффективная траектория:

Выглядит это так (с реальным New Horizons слева для сравнения):

Наблюдения:

• Эта траектория достигает Плутона в последний день ограничения по времени (медленнее — название игры).
• Траектория остается гравитационно связанной с Солнцем на протяжении всей траектории (SMA EJ: 3,7 а.е., SMA JP: 30,3 а.е.)

Ответы:

Я собираюсь игнорировать Харона в расчетах выхода на орбиту. Я также собираюсь принять «сухую массу» (включая топливо для управления ориентацией) в 500 кг для нашего нового (и улучшенного) зонда «Горизонты», чтобы приспособиться к увеличению топлива.$I_{sp}$220 с, как обсуждалось в ответе ЯнКуниса .

1. Выведение на орбиту Плутона (предполагается мгновенное сгорание в перицентре):

73% и 76% топлива по массе соответственно.

2. Ракеты-носители:

Я использовал свой ранее разработанный алгоритм, чтобы определить, какую массу данная ракета-носитель + комбинация STAR48B может бросить в указанное место.$C3$. Базовые характеристики взяты с веб-сайта NASA Launch Services Program Launch Vehicle Performance и из каталога продукции Northrop Grumman Propulsion . Если предполагается опорная высота, вы можете получить скорость из$C3$и Star48B + космический корабль$\Delta V$из общедоступных спецификаций. Получите окончательную скорость, а затем пересчитайте$C3$.

Delta IV Heavy больше не указана на веб-сайте характеристик ракет-носителей программы NASA Launch Services (это было в апреле 2020 года), но у меня есть кривая соответствия данных, сохраненных из некоторых старых школьных проектов :). Я понимаю, что предлагаемый запуск состоится примерно за год до первого полета Delta IV Heavy, но контракт может быть очень выгодным, чтобы сделать это возможным. Я включил другие ракеты-носители для сравнения:

Для$C3$91,9 км$^2$/с$^2$:

Небольшой запас, конечно, но определенно правдоподобный.

1: Богдан Данчу (2021). Interplanetary Mission Design ( https://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/66192-interplanetary-mission-design ), MATLAB Central File Exchange. Проверено 27 июня 2021 г.