Какова возможность запуска зонда к Седне?

Летом 2076 года эта карликовая планета достигает перигелия. Можно ли на расстоянии 76 астрономических единиц запустить зонд, который вовремя достигнет Седны? С периодом обращения более 11 000 лет это может быть единственной возможностью человечества (в том виде, в каком мы его знаем). Неоднократные поиски в Интернете не выявили ни одной нации или группы, планирующих эту миссию, но это из-за отсутствия видения или сама задача невыполнима?

Похоже, что Нептун сможет помочь обеспечить гравитацию примерно в 2056 году. Если это вообще возможно, такая миссия должна быть нацелена на захват орбиты и/или посадку.

Помимо научных целей и хвастовства, такая миссия также послужила бы межзвездным предшественником. Любой орбитальный/посадочный модуль, по логике вещей, должен быть рассчитан на то, чтобы он прослужил столько, сколько мы можем сделать, века, если не тысячелетия. Представьте себе межзвездный маяк на краю нашей Солнечной системы!

введите описание изображения здесь

Отличное видение! Но в этом очень долгом временном интервале, я думаю, лучше подождать некоторое время и посмотреть, нет ли более легкодоступных объектов типа Sedna, к которым можно было бы перейти вместо этого. Я думаю, что его открытие еще слишком молодо, чтобы стать планом миссии века.
Аналогично, вы можете подождать 40 лет с лучшими силовыми установками и силовыми установками вместо того, чтобы запускать их сейчас, чтобы получить их через 60 лет.
Отправка одного сейчас должна быть даже возможной. Было бы неплохо зафиксировать до и во время с помощью зонда. Но финансирование было бы кошмаром.
@LocalFluff: Почему именно Седна? Посмотрите на иллюстрацию его орбиты (красная линия на изображении Селестии выше). Если зонд сможет «поехать автостопом», его в конечном итоге унесут на расстояние 937 а.е. (0,0148 световых лет). Кроме того, из-за чрезвычайно длительных временных рамок такая миссия станет идеальной инженерной испытательной площадкой для сверхдолговечного оборудования, которое понадобится, когда человечество нацелит зонды на другие звездные системы.
@MarkAdler: На мой взгляд, разработка миссии Sedna вполне может послужить стимулом для разработки лучших двигательных и энергетических систем.
937 а.е. — это расстояние, с которого радиотелескоп мог бы использовать Солнце как гравитационную линзу! Однако Седне потребуется 6000 лет, чтобы достичь афелия. Если в следующем году «Рассвет» обнаружит, что Церера является захваченным объектом пояса Койпера, высадившаяся там миссия к 2076 году может многое рассказать нам о Седне. Хотя даже это выглядит оптимистично при сегодняшней космической политике.
Я не уверен, что миссия на Седну будет действительно «подготовкой» к межзвездной миссии. Седна в перигелии составляет 76 а.е., а Проксима Центавра - 271 000 а.е. Это разница более чем на три порядка. Не то чтобы я против миссии на Седну (было бы здорово), но мы еще очень-очень долго не доберемся до ближайшей звезды...
Я не уверен, что идея "попутки" - полезная идея. Зонд, который может встретиться с Седной, уже будет на орбите, которая доставит его до 900+ а.е. (афелийное расстояние до Седны). Если целью является уйти так далеко, я не уверен, что нахождение на орбите вокруг Седны или даже на ее поверхности дает вам по сравнению с пребыванием в открытом космосе. Конечно, исследовать саму Седну было бы здорово.
Вы имеете в виду пролетную миссию (в стиле New Horizons) или орбитальный аппарат?

Ответы (3)

Анализ первого порядка

Учитывая, что у нас есть практичные ионные двигатели, пришло время взглянуть на них.

Глубокий космос 1

Зонд DS1 весил 387 кг, имел 83 кг топлива, проработал 162 дня и произвел 92 мН. Таким образом, он генерирует около 0,2 мм/с^2.

Корабль тоже не без баков. У него примерно 6 месяцев (180 дней) топлива на конструкцию. Это примерно 20% топлива, и моя оценка массы самого двигателя составляет 10 кг - около 0,01 Н на кг, и в линейном масштабе примерно с 16-кратным увеличением массы двигателя в топливе в год. (Эти цифры приблизительны, но дают базовый уровень)

Питание двигателя мощностью 2 кВт...

Во внутренней Солнечной системе солнечная энергия подходит для электрического двигателя; вне астероидов, он становится практически нежизнеспособным.

Радиотепловые генераторы также измеряются в килограммах на ватт... один из самых эффективных был на "Вояджерах" с выходной мощностью около 40 Вт электричества на килограмм... чтобы получить разумное ускорение 0,2 мм/с^2, они стать непрактичным.

Что подталкивает нас к диапазону ядерных реакторов деления. Что тоже означает большие массы - СНАП-10А был 290кг и 30кВт.

В выдвижение гипотез

Нам нужен многотонный космический корабль. Имеется проект на электрическую мощность 100 кВт, ядерный реактор ~520 кг. Этого будет достаточно для питания 50-ти блоков NSTAR по 91 мН каждый; Предполагая, что таких единиц всего 20, реактивная масса по 80 кг каждая за 6 месяцев и 10 кг каждая, плюс 200 кг научной полезной нагрузки, мы можем получить хорошую гипотезу первого порядка. На данный момент я предполагаю, что срок службы завода составляет 5 лет, поскольку SAFE400 тестировался в течение нескольких лет, и я не могу найти документацию по его использованию топлива.

  kg    kW   Item
 200    40   NSTAR x20, giving 2N
 520  (100)  SAFE-400 400kW/100kWe nuclear reactor.
6400     0   2 years NSTAR fuel for 20 units.
 200    10   science package comparable to a mars orbiter.
7400    --   mission mass.

Это даст тягу при запуске 0,00027 м/с^2. Почти напрямую сопоставим с DS1... и 720-дневная тяга с использованием разворота и флипа составляет примерно 3,4 а. AU для покрытия. Это означало бы около 41 дополнительного года.

Тем не менее, фактическое ускорение будет увеличиваться по мере выполнения миссии, а масса топлива составляет наибольшую долю, поэтому мы можем использовать среднюю массу около 4000 кг для общего расчета — почти удвоение скорости при выключенном двигателе и сокращение времени движения по инерции примерно до 20 секунд. годы. Остальные вопросы - это топливо для силовой установки, данных для расчета которой мне не хватает.

Можно было бы использовать большую массу топлива, увеличивая продолжительность, но уменьшая начальное ускорение. Например, срок службы топлива 4 года,

   kg    kW   Item
  200    40   NSTAR x20, giving 2N
  520  (100)  SAFE-400 400kW/100kWe nuclear reactor.
12800     0   2 years NSTAR fuel for 20 units.
  200    10   science package comparable to a mars orbiter.
21800    --   mission mass. (probably about 1050kg tanks dry)

Начальная скорость будет около 0,00009 м/с ^ 2, с пиком около 0,0019 м/с ^ 2 и в среднем около 0,001 м/с ^ 2 ... и покроет около 51 а.е. под тягой, а пиковая скорость около 62 км / с ... или около 28 дней на а.е., что составляет около 2 лет движения по инерции.

Таким образом, примерное время полета миссии составит порядка 6 лет, и около 1/2 из них будет направлено вперед, 1/3 движется по инерции и 1/6 замедляется на орбите.

К сожалению, не все технологии полностью проверены. Под не полностью доказанным я подразумеваю (1) мы не знаем, что они на самом деле переживут 4-летнее постоянное «сгорание»… хотя мы знаем, что они продержатся не менее 160 дней, и (2) система деления существует недостаточно долго, чтобы установить, что на самом деле он продлится 4-10 лет, необходимых для миссии.

Спекулятивный ответ

Да, анализ первого порядка показывает, что вполне вероятно, что миссия может быть выполнена, и со временем полета менее 10 лет.

Однако в имеющихся данных есть ряд неточностей. Структурная масса просто оценивается; массы топлива может не хватить на указанное время и т.д.

Для первого примера я получаю Δ в из ≈ 64,77 км/с используя котировку NSTAR я сп знак равно 3300 с и ракетное уравнение Циолковского Δ в знак равно в е п ⁡ м 0 м 1 . Наполовину Δ в очередь, вот тогда в ≈ 32,386 км/с примерно с 27% реактивная масса ушла на торможение, но для облета это не особо нужно. Расчет времени немного сложнее, так как он зависит от Δ в достигается при запуске, помощь гравитации, траектория и так далее. Тяги самого NSTAR было бы недостаточно, чтобы избежать гелиоцентрической скорости.
@aramis: Отличный анализ. Вопрос: Вы говорите, что «не все технологии до конца проверены». Можете ли вы оценить уровни технологической готовности непроверенных технологий?
@TidalWave: спасибо за расчет дельты v . Что касается тяги NSTAR: достаточно, чтобы соответствовать орбитальной скорости Седны при близком сближении для миссии по захвату/посадке?
Под не полностью доказанным я подразумеваю (1) мы не знаем, что они действительно переживут 4-летнее постоянное «сгорание»… хотя мы знаем, что они продержатся не менее 160 дней. (2) система деления не существует достаточно долго, чтобы установить, что она действительно прослужит 4-10 лет, необходимых для миссии.
На самом деле, скорость убегания не будет проблемой при условии, что курс не ретроградный — он уже находится в равновесии, когда находится на орбите, и старый нивенский «назад втягивает вас внутрь, вводит вас в вращение, вращение выводит вас наружу, а наружу выводит». ты вернулся..." применяется. Это просто вопрос времени. Развернуться на орбите, вовремя развернуться в направлении орбиты, но со скоростью выше орбитальной. Это добавляет несколько AU к общему курсу.
В какой-то момент НАСА предложило зонд/миссию TAU на расстоянии до 1000 а . Зонд использовал ядерную электрическую ракету, в которой для питания использовался реактор деления мощностью 1 МВт, а для тяги - ионный двигатель. Это было в 1987 году. Я предполагаю, что что-то подобное сработает и для Sedna.

Учитывая, что "Вояджер-1" уже находится в 126 а.е. от Солнца через 36 лет после запуска, не должно быть никаких причин, по которым это было бы невозможно энергетически, используя обычный запуск, небольшие маневры и облеты планет. Простого облета Юпитера должно быть достаточно. Юпитер также обеспечит необходимое изменение наклонения.

Однако разработка зонда, который гарантированно будет работать так долго, будет довольно сложной задачей. (Космический корабль «Вояджер» не был уверен, что пройдет мимо Сатурна.)

Но (поправьте меня, если я ошибаюсь) "Вояджеры" сообщают об этом почти с самого запуска. Мог ли зонд к Седне, напротив, сделать то же самое, как Розетта, с длительными периодами бездействия?
Да, «Вояджеры» работали, но они не были спроектированы и испытаны для этого. Спроектировать и протестировать что-то, что проживет так долго, сложно. (Под этим я подразумеваю, что я не знаю, как это сделать.)
Спящий режим Розетты должен был сэкономить деньги на Земле в операциях. Это очень мало влияет на продление срока службы оборудования.
Зонд «Вояджер» извлек выгоду из очень удачного планетарного выравнивания, которое позволило им выполнить несколько гравитационных ассистентов. Это не может быть воспроизведено по желанию.
Было два зонда "Вояджер". У упомянутого мною было всего две передачи, от Юпитера и Сатурна. Также, как я уже упоминал, будет достаточно только Юпитера. Таким образом, вы можете заставить Юпитер поворачивать вас в направлении Седны каждый год Юпитера (12 земных лет).
@MarkAdler Я имел в виду спящий режим для увеличения срока службы блока питания, электроника тоже может выиграть, но я недостаточно знаю, чтобы сделать больше, чем мимолетное замечание по этому поводу.
@MarkAdler: Да, долговечность оборудования является одновременно и серьезной проблемой, и одним из основных доводов в пользу миссии Sedna. И приятно знать, что у такой миссии может быть несколько окон запуска.
@ Все, падение мощности термопар уже наносит вред путешественникам, а также первопроходцам. «Вояджер» уже десять лет не может эффективно управлять полным научным пакетом, и сейчас он находится на том этапе, когда он едва может управлять радио, и не одновременно с научными инструментами. Имейте в виду, что радиотермальный котел все еще разгорается, но термопары, необходимые для преобразования тепла в электричество, подверглись коррозии и больше не являются достаточно эффективными, чтобы хорошо работать.
@Everyone: если вы используете RTG, он будет ухудшаться независимо от того, используется ли питание или нет. Тепло разрушает термопары, и РИТЭГ не может регулировать количество выделяемого тепла.
Можно ли разработать РИТЭГ, который механически заменяет новый набор термопар каждые десять или два десятилетия?
В дополнение к предложению Рассела (заменять термопары в пути), я думаю, что к 2040 году или около того материаловедение продвинется достаточно далеко (особенно при условии финансирования), чтобы создать термопары, которые надежно прослужат пару желаемых десятилетий. Мне также интересно, будет ли миссия на Седну хорошим кандидатом на солнечный парус для какой-то части двигателя, по крайней мере, до тех пор, пока зонд не окажется слишком далеко от Солнца.
Как и почти все остальное, это, кажется, является сильным аргументом в пользу проекта Орион. Обидно за политику.

Я постараюсь ответить на ваш вопрос.

Лучшая возможность полета . Седна сейчас (май 2016 г.) находится на расстоянии 85,7 а.е. от Солнца. Это будет 76 а.е. в 2076 году (через 60 лет). Затем снова, спустя еще 60 лет (в 2136 г.), Седна снова окажется на 86 а.е. Так что на самом деле не торопитесь посылать туда миссию.

Каждые 12 лет Юпитер можно использовать для помощи гравитации. Вторая гравитационная помощь в текущем положении может быть выполнена с помощью облета Нептуна. Все космические корабли, которые сейчас ускользают от гравитации Солнца, использовали гравитационную помощь Юпитера. Сюда входят Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1, Voyager 2 и New Horizons. Все 5 космических кораблей должны были (или должны будут) путешествовать около 30 лет, чтобы добраться до нынешнего расстояния Седны.

С современными технологиями мы можем отправить космический зонд к Седне, подобно New Horizons. Нам нужно будет подождать около 30 лет, чтобы провести облет и посмотреть, что там.

Движение . Космический зонд к Седне может быть очень похож на New Horizons. Его можно запустить с помощью ракеты Atlas V и двигаться с такой же скоростью. Можно было бы использовать солнечный парус или ионный двигатель, но никто еще не пробовал это в таком масштабе. Итак, я буду говорить только о классических химических двигателях, которые использовались на предыдущих кораблях.

Отправить зонд для пролета Седны, вероятно, так же сложно, как отправить New Horizons к Плутону. Если вес зонда будет таким же, как у New Horizons, количество необходимого топлива будет почти таким же. Однако если вы хотите построить орбитальный аппарат или даже посадочный модуль, все обстоит сложнее. Седна меньше Плутона, поэтому гравитация у нее небольшая. Если космический корабль приближается со скоростью, близкой к New Horizons (14,5 км/с), ничто не может его остановить. Есть два способа вставить объект на орбиту вокруг Седны:

  1. Сделать огромный космический корабль, с достаточным запасом гидразина, чтобы замедлить. Это означает, что вам придется слишком сильно увеличить вес корабля, что неосуществимо.
  2. Отправьте зонд с меньшей скоростью, чтобы гравитация Седны могла его захватить. При этом путешествие займет гораздо больше времени, вероятно, более 100 лет.

Если мы хотим коснуться поверхности Седны, нам лучше построить импактор, подобный тому, что используется зондом Deep Impact . Импактор предоставит нам изображения вблизи поверхности. Удар обнажит материалы под поверхностью.

Технические проблемы . Важнейшая проблема заключается в том, что радиоизотопный термоэлектрический генератор (РТГ) имеет ограниченный срок службы. Используемый изотоп плутония имеет период полураспада 87 лет, поэтому его должно быть достаточно. Однако термопары, используемые в РИТЭГах, также имеют ограниченный срок службы. Пионеры потеряли связь примерно на том же расстоянии, что и Седна. «Вояджеры» выжили еще дальше в космосе, но едва ли могут включить свои антенны. Ожидается, что New Horizons перестанет функционировать на орбите Седны. Значит, нашему космическому кораблю придется использовать гораздо более крупный и мощный РИТЭГ.

Связь с Землей намного сложнее на большом расстоянии. New Horizons потребовалось меньше времени для отправки данных после встречи с Юпитером, чем сейчас, после встречи с Плутоном, даже если в результате встречи с Юпитером было получено гораздо больше данных.

Заключение . С нашими текущими технологиями мы можем построить космический зонд, похожий на New Horizons. Зонд с помощью гравитационного ассистента Юпитера проделает 30-летнее путешествие к Седне и совершит облет. РИТЭГ должен быть больше, чем те, которые использовались для предыдущих зондов (вероятно, он будет нести 50 кг плутония). Для загрузки данных на Землю потребуется несколько лет.

Отправка орбитального аппарата или посадочного модуля к Седне с современными технологиями невозможна.

Без ядерных реакторов?
Какова возможность запуска зонда к Седне?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v