Domanda:
Perché utilizzare un veicolo di ritorno orbitale terrestre di Marte per il ritorno del campione?
LocalFluff
2020-08-14 08:53:52 UTC
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Il piano della NASA è di utilizzare due missioni separate per portare a casa i campioni di carotaggio che il rover Perseverance prenderà. I campioni verranno in piano raccolti da una missione atterrata e lanciati nell'orbita di Marte. Lì i campioni attraccheranno con un'altra navicella spaziale che li porterà sulla Terra.

Perché non attraccare invece due lanci in orbita terrestre, in modo che una massa sufficiente possa essere atterrata su Marte per raccogliere i campioni E portarli a casa ? Ad esempio, per prima cosa lanciare uno stadio superiore completamente rifornito che possa portare la cosa su Marte, quindi lanciare il veicolo di raccolta, risalita e ritorno per attraccare i due. Se si verifica un fallimento in quel processo, si può fare un nuovo tentativo senza perdere i campioni che Perseverance impiegherà diversi anni per raccogliere.

L'attracco in LEO è diventato una routine con centinaia di successi e penso che solo due fallimenti nella storia. Ma un attracco autonomo nell'orbita di Marte non è mai stato tentato. Perché provare a farlo nel modo più duro?

Quindi stai facendo atterrare il carburante per il ritorno su Marte e poi lo rilanci nell'orbita di Marte, per cosa?
Quando hanno conquistato il Polo Sud qui sulla Terra, gli esploratori stavano usando un approccio simile: invece di portare con sé tutte le provviste, quindi sarebbero arrivati ​​al Polo Sud con metà di esse rimanenti e le avrebbero usate sulla via del ritorno, prima ha iniziato una spedizione che ha lasciato `` basi '', piccoli depositi di rifornimenti lungo il percorso circa a metà strada fino al polo, quindi è tornato - e al prossimo o avrebbero usato metà dei rifornimenti dalle basi, quindi oltre l'ultima base avrebbero iniziato lasciando quelli nuovi grandi la metà, quindi quando hanno raggiunto il palo erano quasi senza rifornimenti.
Sulla via del ritorno hanno semplicemente esaurito le basi, mentre viaggiavano leggeri, con solo rifornimenti sufficienti per raggiungere la base successiva.
@user3528438 Perché sarebbe più semplice e sicuro non rischiare di perdere il prezioso fango di Marte. 3 miliardi di dollari vengono investiti nella raccolta dei campioni sulla superficie di Marte, quindi forse un altro quarto di miliardo circa di investimenti in veicoli di lancio extra sarebbe una buona gestione del rischio.
Un altro problema è mantenere il razzo utilizzabile in condizioni marziane. Realisticamente dovrebbe essere in grado di attendere la consegna del suolo marziano per mesi se non di più, a causa dell'incertezza del punto di atterraggio. Sfortunatamente non sono disponibili così tanti dettagli sullo studio di architettura sul ritorno dei campioni su Marte. Ma dai concetti dell'artista sembra che il razzo di risalita debba essere condizionato termicamente.
In che modo i lanci di attracco nell'orbita terrestre possono aiutare - o ostacolare - qualcosa che accade su Marte?
@SF. Interesse solo per "Sulla via del ritorno ..." -> che è ciò che ha ucciso Scott e la sua squadra. Il deposito a cui miravano era stato posizionato corto (di circa 20 miglia dalla memoria). Lo sapevano, ma se fosse stato dove originariamente previsto avrebbero (molto probabilmente) vissuto. La causa principale [tm] era che (a loro insaputa) che a livello di sforzo avevano bisogno di lavorare al massimo, avevano bisogno di 8000 calorie / giorno e non stavano ottenendo così tanto, quindi stavano lentamente morendo di fame. | Potrebbe essere difficile trasformarlo in una buona metafora del ritorno del campione di Marte :-) ;.
@RussellMcMahon Ecco perché non puoi perdere l'appuntamento. Amundsen ha eseguito il suo percorso senza intoppi.
@SF. Yesish. Se Scott sapesse quello che sappiamo ... || L'eccessiva dipendenza di Scott dalla forza lavoro e la mancanza di un'adeguata comprensione dei bisogni calorifici, rispetto all'approccio di Amundsen, hanno fatto la (o una) differenza fatale. Anche il team di supporto che è andato a metà strada con Scott e poi è stato rimandato indietro (come previsto) è arrivato a un passo dalla morte. Una favola incredibile. || Abbastanza noto: un membro che avrebbe dovuto tornare indietro con il team di supporto è stato invece incluso nel gruppo polare, quindi di conseguenza sia raggiungendo il polo che morendo.
Due risposte:
ikrase
2020-08-14 09:41:26 UTC
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Earth Orbit Rendezvous è un metodo per applicare la forza bruta. Mars Orbit Rendezvous migliora effettivamente l'efficienza, potenzialmente di molto.

Un ritorno di un campione di Marte (o, se è per questo, una missione con equipaggio diretto su Marte) deve fare quanto segue in ordine:

  1. Lancio dalla Terra (*)

  2. Sali in orbita di trasferimento su Marte (*)

  3. Atterra su Marte con un veicolo per la risalita pronto

  4. Decolla da Marte ed entra, al minimo assoluto, nell'orbita di Marte (*)

  5. Sali in orbita di trasferimento verso la Terra (*)

  6. Atterra sulla Terra o sarai recuperato in orbita terrestre.

Gli elementi contrassegnati richiedono assolutamente una quantità significativa di delta-V - qualsiasi veicolo che li fa, con un futuro presente o prossimo tecnologia, sarà per lo più carburante e avrà una massa molte volte più grande del loro carico utile, come minimo . Questa è la tirannia dell'equazione del razzo di Tsiolkovsky.

Elementi 0 e 3 assolutamente ha bisogno di un razzo ad alta spinta, che purtroppo oggi significa combustibile chimico , che significa un impulso specifico abissale ed enormi potenziamenti in relazione ai carichi utili.

Earth Orbit Rendezvous fornisce un metodo per assemblare un veicolo spaziale molto, molto grande in orbita terrestre quando non si dispone di un booster abbastanza grande da lanciarlo tutto d'un pezzo. Ciò implica almeno due costosi lanci di booster per carichi pesanti, e oggi abbiamo alcuni booster piuttosto pesanti e ne avremo altri ancora più pesanti (Starship, SLS) in futuro.

Una leggera complicazione è che quando inviamo veicoli spaziali senza equipaggio su altri pianeti, spesso usiamo il booster per fornire l'impulso iniziale nella loro orbita di trasferimento (il carico utile è molto inferiore al carico utile massimo del booster su LEO) piuttosto che farli volare da LEO alla loro destinazione sotto il loro energia. Tuttavia, questo è principalmente solo un dettaglio delle operazioni.

Ma diamo un'occhiata a quell'elenco di manovre. Il razzo per effettuare un trasferimento sulla Terra (n. 4) è qualcosa di abbastanza consistente (come minimo assoluto, molte volte la massa del carico utile consegnato sulla Terra) e non è necessario nelle attività 2 e 3.

Se ci lanciamo nell'orbita di Marte, e poi lanciamo a mare il veicolo di risalita su Marte e attracchiamo con un veicolo di ritorno sulla Terra, allora sia il veicolo di ritorno sulla Terra che il veicolo di risalita su Marte potrebbero avere più o meno lo stesso peso: diverse volte quello del carico utile che va sulla Terra .

Se creiamo un razzo a stadi da lanciare nell'orbita di Marte trasportando il veicolo di ritorno sulla Terra, e poi accendiamo il veicolo di ritorno della Terra per tornare sulla Terra, il veicolo di risalita su Marte deve essere parecchie volte al quadrato quello del carico utile che va a terra. È MOLTO di più, specialmente se "diversi" è più simile a 10 che, diciamo, a 3.

Puoi scommettere che rendere questo razzo più grande e più pesante complicherà anche molto l'atterraggio e costerà per portare tutto su Marte in primo luogo.

Bella risposta e ben scritta. L'approccio Mars Orbit Rendezvous riecheggia l'approccio Lunar Orbit Rendezvous adottato dal programma Apollo dopo aver riconosciuto i risparmi di massa.
Mi piacerebbe vedere un calcolo leggermente migliore di quanto più delta-V, o massa di carburante, sarebbe necessario per far atterrare l'intero veicolo di ritorno della Terra su Marte, piuttosto che mantenere il veicolo di ritorno della Terra in orbita su Marte. È davvero più vicino a 10 di 3 volte "al quadrato" in più? Il programma spaziale sovietico potrebbe restituire campioni direttamente dalla Luna negli anni '70. La gravità della superficie della Luna è 0,16 quella della Terra, su Marte è 0,37. Non sarebbero sufficienti due razzi Falcon 9 per farlo?
@LocalFluff Devo fare alcuni calcoli. Questo finisce per avere molte ipotesi, principalmente sulla massa secca di vari oggetti. Il numero al quadrato è la massa del carburante o la massa totale del veicolo, non delta-V. Vale la pena notare che il potenziamento in orbita e poi durante un trasferimento spreca un po 'di delta-V, potenzialmente.
@LocalFluff cosa stai facendo esattamente con quei due razzi Falcon?
@ikrase Ciò che la NASA propone ora di fare con i loro due razzi Falcon 9, ma in orbita terrestre invece che in orbita su Marte. Il programma spaziale sovietico potrebbe restituire campioni dalla Luna con un solo lancio.
@LocalFluff su quel singolo lancio: https://space.stackexchange.com/q/36677/6944 Non era nemmeno * guidato *. Degno di nota.
Ah sì; gli ambientalisti non vogliono che usiamo https://en.wikipedia.org/wiki/Project_Orion_(nuclear_propulsion) Ol 'Boom Boom quindi non possiamo essere efficienti dal punto di vista energetico.
@Joshua Io stesso sono più un tipo di missili nucleari con nucleo a gas, il Progetto Orion è molte cose ma * energeticamente * efficiente non lo è.
@ikrase: Non abbiamo ancora quello funzionante. :( Ma quasi ogni metodo nucleare batte i razzi chimici che usiamo.
@Joshua Orion non è efficiente dal punto di vista energetico. Porta con sé così tanta energia che non è necessario.
@LocalFluff Quello che ti manca è che il costo di delta-v aggiuntivo è ** esponenziale **. Stai cercando un minimo di 3.800 m / s per scendere da Marte e altri 2.500 m / s per tornare a casa. 10x sembra abbastanza ragionevole per il costo.
Steve Linton
2020-08-14 16:34:36 UTC
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In questa domanda ho suggerito che, a prima vista, il razzo SS520-5 potrebbe spostare circa 5 kg dalla superficie di Marte su una traiettoria per colpire la Terra. Quel razzo (un razzo a combustibile solido a tre stadi) ammonta a 2,6 tonnellate al decollo. Facciamo l'ipotesi piuttosto ampia che non ho perso alcun problema (qualcuno ha già suggerito il raffreddore come problema). Quindi dovresti anche far atterrare una sorta di versione leggera del binario di lancio e dei sistemi associati che vengono normalmente utilizzati con un SS520. Sulla Terra è un camion carico di cose, ma siamo molto ottimisti e diciamo che possiamo ridurlo a 1,4 tonnellate, facendo 4 tonnellate di cui abbiamo bisogno per atterrare sulla superficie di Marte.

Lavorando all'indietro, dobbiamo avvolgerlo in uno scudo termico e in un sistema di atterraggio. Per curiosità, quel sistema si è ammassato circa 3 volte la massa della massa del lander, quindi cerchiamo, ancora una volta ottimisticamente - atterrare grandi cose su Marte è difficile - optare per lo stesso rapporto, quindi abbiamo bisogno di 16 tonnellate lanciate nell'orbita Mars Transfer . Questo in realtà rientra nella capacità di un Falcon Heavy, un razzo che non era disponibile quando sono state progettate queste missioni, ma non c'è molto da risparmiare.

Lavorando in avanti, il nostro carico utile di 5 kg deve gestire eventuali correzioni di traiettoria in viaggio verso la Terra, comunicazioni e alimentazione per la crociera, un rientro a velocità di fuga e una sorta di atterraggio, nonché carico utile, il tutto in un budget di massa circa 1/3 di quello che avevano i cubesat MarCo.

Quindi il profilo della missione che hai progettato non è in realtà contro le leggi della fisica e non ha nemmeno bisogno di un appuntamento in orbita terrestre, anche se questo potrebbe acquistare qualche kg in più, ma sarebbe necessaria una tecnologia nuova e mai provata per atterrare a navicella multi-tonnellata su Marte e poi per costruire un carico utile di 5 kg in grado di riportare intatto qualsiasi cosa utile sulla Terra. Il rendezvous sull'orbita di Marte mi sembra molto meno rischioso.

È sicuramente un veicolo spaziale significativamente più piccolo se non devi far atterrare il tuo carburante per il trasferimento di Marte-Terra con il tuo veicolo di risalita, anche se non posso fare a meno di pensare che sarebbe utile atterrare qualcosa di significativamente più grande sulla superficie marziana come pratica corri per un veicolo Mars Ascent con equipaggio.


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Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 4.0 con cui è distribuito.
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