Una mirada cercana al Proyecto Lyra

Buen momento del día, Giktayms!

Ayer publiqué el artículo " Póngase al día con el proyecto" Lua "de Umuamua!, Y cuando comencé a leer el informe" Proyecto Lyra: Enviar una nave espacial a 1I / 'Oumuamua (antiguo A / 2017 U1) "mencioné en él, el asteroide interestelar, rápidamente Resultó que sería necesario traducirlo para una mejor comprensión. Comencé con la tercera sección más sabrosa, “3. Conceptos y tecnologías ", y mientras lo traducía, Denis Nyrkov, voyager-1, me escribió que acababa de traducir el comienzo del artículo. Entonces, tres de nosotros, juntos, superamos la tarea. El tercer participante es un traductor de Google. Honestamente, sin su participación, simplemente no me molestaría con este artículo.

Enlaces a artículos anteriores sobre ʻOumuamua, un miembro respetado con el apodo akurilov :

1) Fecha con ʻumuamua. Primer objeto interestelar en el Sistema Solar
2) El primer objeto interestelar abierto resultó ser inusual
3) Mi artículo de revisión sobre el "Proyecto Lear" - ¡Ponte al día con ʻOumuamua! Proyecto "Lira"

Las notas en cursiva entre paréntesis son mías. La lista de fuentes se deja deliberadamente como está, se agregan notas. Por lo tanto, será más fácil encontrar fuentes. En el futuro planeo hacer varias traducciones con nombres como: "Una mirada cercana al Proyecto Lyra # 00", donde en lugar de ceros habrá un número fuente de la lista, si alguien quiere unirse, por favor. Además, todo está como en la vida, ahora vacío, ahora denso. Quiero hacer una nueva publicación sobre "Moon Village", ya que hay noticias reales e información interesante. Ese es en realidad todo el prefacio.

Proyecto de Lear: enviar el dispositivo al asteroide interestelar ʻOumuamua (anteriormente A / 2017 U1)

Andreas M. Hein (1), Nikolaos Perakis (1), Kelvin F. Long (1), Adam Crowl (1), Marshall Eubanks (2), Robert G. Kennedy III (1), Richard Osborne (1)

1) Iniciativa para estudios interestelares , Bone Mill, New Street, Charfield, GL12 8ES, Reino Unido
2) Iniciativas de asteroides LLC

Anotación

El primer objeto interestelar confirmado descubierto en nuestro sistema solar, ʻOumuamua (anteriormente conocido como A / 2017 U1) nos brindó la oportunidad de estudiar directamente material de otro sistema estelar. ¿Es posible interceptar este objeto? El desafío de alcanzar un objeto en un tiempo razonable es difícil de alcanzar debido a su gran exceso de velocidad hiperbólica (velocidad menos la tercera velocidad espacial ) de aproximadamente 26 km / s, mucho más rápido que cualquier vehículo en marcha actualmente. Este artículo proporciona un análisis de alto nivel de la posible implementación de dicha misión en el futuro cercano. El lanzamiento de un aparato con un procedimiento aceptable de preparación de la misión de 5 a 10 años requiere un exceso de velocidad hiperbólica de entre 33 y 76 km / s para una duración de la misión de entre 30 y 5 años, respectivamente. Las diferentes duraciones de las misiones y sus velocidades requieren estimaciones teniendo en cuenta la fecha de lanzamiento, sugieren la conclusión de la trayectoria de intercepción con un solo impulso. Se describen varias posibilidades técnicas , incluida la maniobra de Obert ( o maniobra gravitacional ) cerca del Sol con motores químicos y la posibilidad más avanzada con velas solares o láser. Para maximizar el resultado científico de la misión, es muy conveniente reducir la velocidad del aparato en ʻOumuamua, debido al bajo rendimiento científico en vuelos de alta velocidad. Se concluye que aunque el logro del objeto es un desafío técnico, su implementación se considera viable con tecnologías que ya existen o que aparecerán en el futuro cercano.

1. Introducción

El 19 de octubre de 2017, se descubrió un objeto cerca de la Tierra en la Universidad de Hawai utilizando datos de la red de telescopios Pan-STARRS , originalmente llamada A / 0217 U1, pero luego renombrada como 'Ouamuamua. Se descubrió que este objeto, que tiene una velocidad en el infinito (relativa al Sol) de aproximadamente 26 km / s, no está vinculado al Sistema Solar, y vino a nosotros desde un punto cercano al ápice solar (arriba en relación con el plano en el que se mueven los planetas) desde la constelación de Lyra. Debido al hecho de que no tenía cola al acercarse al Sol, el objeto no parecía un cometa y fue reconocido como un asteroide. Observaciones posteriores del Observatorio Palomar indicaron que el objeto tiene un tono rojizo, similar al color de los objetos del cinturón de Kuiper [3]. Parecía un signo de erosión cósmica. Sus propiedades orbitales se analizaron en [2,4].

Por el momento, la frecuencia con la que tales objetos ingresan al sistema solar es poco conocida. Como ʻumuamua es la muestra macroscópica más cercana de material interestelar ( estamos hablando de los llamados rayos galácticos ), probablemente con una huella isotópica distintiva de todos los objetos del sistema solar, es difícil evaluar el resultado científico de la obtención de muestras de dicho objeto. Es probable que se realice un estudio detallado del material interestelar a distancias interestelares no antes de décadas después, incluso si el proyecto Breakthrough Starshot (por ejemplo) se está desarrollando vigorosamente. Por lo tanto, una pregunta muy interesante es la posibilidad de utilizar una oportunidad tan única para enviar la nave espacial a ʻOumuamua para estudiarla cerca.

La Iniciativa para Estudios Interestelares ( organización sin fines de lucro fundada en Inglaterra en 2012 ) o abreviado i4is, anunció el 30 de octubre un proyecto Lear para responder a estas preguntas. El objetivo del proyecto es evaluar la posibilidad de llevar a cabo una misión a ʻumuamua utilizando las tecnologías actuales y esperadas en el futuro cercano, y proponer un concepto de misión para la implementación de una misión de vuelo o reunión con este asteroide. El desafío es complejo: según las estimaciones actuales, Oumuamua tiene un exceso de velocidad hiperbólica de 26 km / s. Esto es significativamente más que cualquier objeto lanzado por el hombre al espacio en este momento. Voyager-1: el objeto más rápido jamás creado por el hombre, tiene un exceso de velocidad de 16.6 km / s. Como ʻumuamua ya está abandonando el sistema solar, cualquier vehículo lanzado en el futuro tendrá que ponerse al día con este asteroide. Sin embargo, además del interés científico en obtener datos sobre este objeto, la tarea de su logro en sí mismo puede hacer avanzar las tecnologías espaciales modernas. Por lo tanto, el proyecto de Lear no solo es interesante desde el punto de vista científico sobre este tema, sino también desde el punto de vista de los desafíos tecnológicos. La Figura 1 muestra el logotipo del proyecto Lear:


Este artículo presenta algunos resultados de un análisis preliminar de varios conceptos de misión para Oumuamua.

2. Análisis de trayectoria

Dado el exceso de velocidad hiperbólica y su inclinación con respecto a la eclíptica del sistema solar, la primera pregunta a responder es el incremento de velocidad requerido (DeltaV) para alcanzar el objeto, un parámetro clave para el diseño del sistema de propulsión. Obviamente, una nave espacial más lenta alcanzará el objeto más tarde que una nave espacial más rápida, lo que conducirá a un compromiso entre la duración del viaje y el DeltaV requerido. Además, cuanto antes se lance la nave espacial, menor será la duración del viaje, ya que la distancia del objeto aumenta con el tiempo. Sin embargo, es probable que la fecha de lanzamiento en los próximos 5 años no sea realista, e incluso 10 años pueden ser difíciles si se necesitan nuevas tecnologías. Por lo tanto, el tercer compromiso básico es entre la fecha de inicio y el tiempo de viaje / energía característica C3. La energía característica es el cuadrado del exceso de velocidad hiperbólica, que puede entenderse como la velocidad en el infinito con respecto al Sol. Estas compensaciones se fijan en la figura 2. La figura representa ?? energía característica para el lanzamiento en relación con la duración de la misión y la fecha de lanzamiento. Se supone una planta de energía pulsada con una duración de tracción bastante corta. No se supone vuelo planetario o solar, solo un lanzamiento directo al objeto. Puede ver que hay un mínimo de C3, que es de aproximadamente 26.5 km / s (703 km ^ 2 / s ^ 2). Sin embargo, este valor mínimo aumenta rápidamente cuando se adelanta la fecha de lanzamiento. Al mismo tiempo, una misión más larga conduce a una disminución en el C3 requerido, pero también implica una reunión con un asteroide a una mayor distancia del Sol. Una fecha de lanzamiento realista para la sonda será de al menos 10 años en el futuro (2027). En este punto, el exceso de velocidad hiperbólica ya es de 37.4 km / s (1400 km ^ 2 / s ^ 2) con una duración de vuelo de aproximadamente 15 años, lo que hace que tal trayectoria sea extremadamente difícil de lograr con los lanzamientos normales en ausencia de un tramo planetario.



Figura 2: Energía característica de C3 en relación con la duración de la misión y la fecha de lanzamiento.

Además del exceso de velocidad hiperbólica en el lanzamiento, se debe tener en cuenta el exceso de velocidad en relación con el asteroide en una colisión (V∞, 2), ya que determina el tipo de misión que es posible. El exceso de velocidad en relación con el asteroide reduce la duración del vuelo, pero también reduce el tiempo disponible para las observaciones cerca del objeto interestelar. Por otro lado, un valor bajo para V∞, 2 puede incluso permitir una transición a la órbita alrededor del asteroide con una maniobra pulsada o pequeña para ralentizar la sonda. El exceso de velocidad a la llegada se muestra en la Figura 3, dependiendo de la fecha de lanzamiento y la duración del vuelo. Las deformaciones de las curvas de velocidad se deben a la órbita de la Tierra alrededor del Sol, lo que conduce a una posición más o menos favorable para lanzarse hacia el objeto. Puede ver que el exceso de velocidad mínimo de aproximadamente 26.75 km / s implica un lanzamiento en 2018 y una duración de vuelo de más de 20 años. Este exceso de velocidad no prohíbe la transición a la órbita alrededor de 'Oumuamua. Sin embargo, este valor mínimo aumenta rápidamente para fechas de lanzamiento posteriores. La fecha de lanzamiento realista de la sonda será de 5 a 10 años en el futuro (de 2023 a 2027). En este punto, el exceso de velocidad hiperbólica requerida para la misión es de 33 a 76 km / s para una duración de vuelo de 30 a 5 años. Estos valores superan con creces las capacidades actuales del sistema de propulsión química y eléctrica para reducir la velocidad y entrar en órbita alrededor de 'Oumuamua.



Figura 3: Velocidades excesivas hiperbólicas en relación con la duración del vuelo y la fecha de lanzamiento

La figura 4 muestra la distancia aproximada a la cual una nave espacial interceptará un objeto. Para una fecha de lanzamiento realista de 2027 o posterior, una nave espacial vuela más allá de un objeto a una distancia de 100 a 200 A de la Tierra, que es similar a la distancia a las sondas Voyager en la actualidad. A esa distancia, es obvio que el suministro de energía y las comunicaciones se están convirtiendo en un problema, y ​​se requieren fuentes de energía nuclear como los RTG.



Figura 4: Fecha de lanzamiento y duración de la misión. El código de color indica la distancia a la cual la nave espacial transmite un objeto.

La Figura 5 muestra la trayectoria de la muestra con una fecha de lanzamiento en 2025. La órbita de la Tierra puede verse como una pequeña elipse alrededor del Sol (indicada como un círculo negro) en la esquina inferior derecha de la imagen. Las trayectorias del asteroide y la nave espacial son casi rectas.



Figura 5: Un ejemplo de la trayectoria de una nave espacial para lanzar en 2025 y una reunión con 1I / 'Oumuamua en 2055

Otra sugerencia no es perseguir 'Oumuamua, sino prepararse para que el próximo objeto interestelar penetre en nuestro sistema solar, desarrollando medios para lanzar rápidamente una nave espacial a dicho objeto.

Se analizan dos escenarios: primero, una misión con una corta duración de solo un año, que conducirá a una reunión de solo 5.8 UA del Sol. Sin embargo, el exceso de velocidad hiperbólica requerida puede alcanzar velocidades de aproximadamente 20 km / s. Finalmente, debido al ángulo de colisión, se espera una alta velocidad en relación con el asteroide, que asciende a 13,6 km / s, como se muestra en la Figura 6.



Figura 6: Trayectoria para lanzar en 2017 y reunirse en 2018

La misión en la misma fecha de lanzamiento, pero con una duración de 20 años, se muestra en la Figura 7. En una colisión, la velocidad relativa de la nave espacial con respecto al objeto es relativamente pequeña (aproximadamente 600 m / s para este caso en particular), lo que puede ser una oportunidad para ralentizar la maniobra y transferirla a la órbita alrededor de 'Oumuamua.



Figura 7: Trayectoria para su lanzamiento en 2017 y reunión en 2037

En resumen, la dificultad de lograr 'Oumuamua es una función del lanzamiento, el exceso de velocidad hiperbólica y la duración de la misión. Los futuros desarrolladores de misiones deben encontrar compensaciones apropiadas entre estas opciones. Para una fecha de lanzamiento realista en 5-10 años, el exceso de velocidad hiperbólica es de 33 a 76 km / s con una reunión mucho más allá de la órbita de Plutón (50-200 ae).

3. Conceptos y tecnologías.

Como se muestra arriba, la búsqueda de 'Oumuamua con una fecha de lanzamiento realista (los próximos 5 a 10 años) es un problema grave para los sistemas espaciales modernos. La arquitectura de lanzamiento es nominalmente posible utilizando Space Launch System (SLS), por ejemplo, lo que simplificaría el desarrollo de la misión. Sin embargo, otros proveedores de lanzamiento también ofrecen oportunidades prometedoras en los próximos años. Una de las posibilidades posibles es usar el cohete SpaceX Big Falcon (BFR) con la etapa superior de reabastecimiento de combustible en el espacio con una fecha de lanzamiento en 2025. Para lograr el exceso hiperbólico requerido (al menos 30 km / s), se requiere un paso elevado de Júpiter en combinación con un pasaje cercano cerca del Sol (hasta 3 radios solares), apodado "fryby solar". Esta maniobra también se conoce como la "maniobra de envoltura" [5]. La arquitectura fue propuesta por el Keck Institute for Space Studies (KISS) [6] y el Jet Propulsion Laboratory (JPL) [7] para el estudio de los asteroides interestelares. Sin embargo, el uso de BFR elimina la necesidad de numerosas maniobras gravitacionales para crear el impulso necesario para entrar en la trayectoria de Júpiter. En su lugar, al lanzar directamente una sonda con varios pasos de refuerzo ( desde una órbita cercana a la Tierra altamente elíptica (Highly Excentric Earth Orbit, HEEO ( ), que le permite obtener una velocidad de 10 km / s para un viaje de 18 meses a Júpiter y su maniobra gravitacional, seguido del vuelo del Sol (lo cual es necesario para cambiar la eclíptica). El aislamiento térmico multicapa protegerá el dispositivo de la radiación solar cuando encienda su motor de propulsión sólido con un gran empuje en el perihelio de la órbita (se necesita un gran empuje para maximizar el efecto Obert). Los medios interestelares del Keck Institute for Space Research (KISS) mostraron la posibilidad de alcanzar velocidades de 70 km / s con las tecnologías existentes e interceptar un cuerpo a una distancia de 85 UA en 2039 si el dispositivo se lanzó en 2025. De todos modos, estimaciones más restringidas permiten alcanzar una misión con una velocidad de 40 km / sy interceptar un objeto a una distancia de 155 UA en 2051. A una velocidad de aproximación alta, el dispositivo lanzará una sonda de impacto, que debería elevar una nube de gas significativa, que puede ser una opción seria para la investigación con dejando el asteroide con un espectrómetro en su lugar ".

La arquitectura anterior enfatiza la urgencia más que las mejores prácticas. El uso de tecnologías más avanzadas, como velas solares, velas láser y movimiento eléctrico con láser, puede abrir oportunidades adicionales para sobrevuelo o encuentro con 'Oumuamua. Los siguientes son análisis de primer orden para misiones de navegación solar y láser.

Para una misión con una vela solar, se supone que el lanzamiento desde la órbita de la Tierra tiene en cuenta el tiempo de lanzamiento de 3 a 4 años. El requisito de velocidad es ~ 55 km / s, lo que indica un factor de luz para la misión de 0.15 y una aceleración característica de 0.009 m / s ^ 2. Esto requiere una carga específica en la vela del orden de 1 g / m ^ 2, los materiales modernos con cargas útiles livianas pueden alcanzar 0.1 g / m ^ 2. Dado esto, con diferentes masas de naves espaciales, suponiendo una carga de navegación de hasta 1 g / m ^ 2, llegamos a los valores indicados en la tabla 1 para un velero de vela circular y cuadrado.



Tabla 1: Parámetros de la vela solar en relación con la masa de la nave espacial.
Masa de nave espacial [kg] Área de vela [m ^ 2] Ci

El proyecto más práctico implica el lanzamiento después de 4 años y la masa del barco es de 1 kg y menos.

Navegar tareas basadas en láser basadas en la tecnología Stars Starshot Breakthrough Initiative [8-10] utilizará un rayo láser de 2.74 MW con aceleración de sonda completa a 55 km / sy lanzamiento en 3.5 años (2021) , acelerando 3,000 con una sonda que pesa aproximadamente 1 gramo. Llegará a 'Oumuamua en unos 7 años. Con un láser de 27,4 MW, se podría dispersar una sonda de 10 gramos. Incluso se pueden lograr grandes masas de naves espaciales mediante el uso de varias arquitecturas de misión, velocidades de aceleración más bajas y duraciones de vuelo más largas. Sin embargo, con dicha infraestructura de rayo láser, se podrían enviar cientos o incluso miles de sondas, como se muestra en la Figura 8. Dicha arquitectura distribuida que utiliza un enjambre de sondas permitirá recopilar datos en un volumen de búsqueda más grande sin restricciones en una sola nave espacial monolítica.



Figura 8: Enjambre de una vela láser (Crédito de la imagen: Adrian Mann)

Otro concepto propuesto por Streian y Peck [11] es enviar ChipSats a la magnetosfera de Júpiter, y luego usar la fuerza de Lorentz, acelerarlos a velocidades muy altas de aproximadamente 3000 km / s [12,11,13]. Sin embargo, controlar la dirección de estas sondas puede no ser una tarea trivial.

Una consecuencia importante es que después de que se crea la infraestructura operativa de Beast Project Starshot, incluso a pequeña escala, las misiones a objetos interestelares que vuelan a través del sistema solar pueden iniciarse en poco tiempo y pueden justificar el desarrollo de esta infraestructura. La principal ventaja de tal arquitectura sería un corto tiempo de respuesta a oportunidades inusuales. Las inversiones estarán justificadas por el costo de la opción de dicha infraestructura.

Con respecto a la desaceleración en la instalación, obviamente puede utilizar los sistemas de propulsión existentes, por ejemplo. aunque limitado por el bajo poder específico de los RTG como fuente de energía. ( No está claro por qué los reactores nucleares no se consideran una fuente de energía.) Vale la pena explorar tecnologías más avanzadas, como velas magnéticas [14, 15], velas eléctricas [16] y el sistema de frenado magnetosférico posterior [17] con la distancia entre las intersecciones detrás de la heliosfera, en el medio interestelar prístino (Medio interestelar, ISM) . La preparación tecnológica de estas tecnologías más avanzadas es actualmente baja, dependiendo de los avances en la producción de materiales superconductores, pero multiplicarán el rendimiento científico por órdenes de magnitud.

El pequeño tamaño del objeto y su bajo albedo hacen que sea difícil observarlo una vez que vuelve al espacio profundo. Esto plantea un problema de navegación importante para obtener una dirección bastante precisa hacia 'Oumuamua, para poder acercarse al objeto y recopilar datos útiles. Debido a la incertidumbre posicional de dicho objeto con una trayectoria poco conocida, el proyecto de una misión distribuida debe investigarse utilizando un enjambre de sondas que pueden cubrir un área grande.

4. Conclusiones

El descubrimiento del primer objeto interestelar que visitó nuestro sistema solar es un evento emocionante y puede ser una oportunidad para toda la vida o incluso para varias vidas. Para evaluar la viabilidad de lograr esta instalación, i4is inició recientemente el proyecto Lyra. En este artículo, hemos identificado objetivos clave para lograr 'Oumuamua, una duración aproximada de la misión y el exceso de velocidad hiperbólica necesaria según la fecha de lanzamiento. En cualquier caso, la misión del objeto estirará los límites de lo que hoy es tecnológicamente posible. Una misión utilizando un sistema convencional de fuerza química sería factible con un sobrevuelo de Júpiter para una maniobra gravitacional y cerca de un pasaje cerca del Sol. Con los materiales adecuados, también puede utilizar la tecnología de velas solares o láser.

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Lyra , 2-3 .


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