Propulsión eléctrica: matemáticos calculan la ruta de vuelo óptima a Marte y Mercurio usando prometedora tecnología

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N+1. Matemáticos rusos han propuesto un método para calcular la ruta de vuelo óptima de naves espaciales que usen propulsión eléctrica, cuyo empuje es miles de veces menor que el de las propulsiónes químicas, pero pueden funcionar durante años. Los matemáticos calcularon los parámetros de vuelo a Marte y Mercurio de una sonda con dicha propulsión. El artículo fue publicado en la revista Cosmic Research.
Las propulsiones químicas crean un gran empuje, que permite poner en órbita toneladas de carga en cuestión de minutos, pero que consume una gran cantidad de combustible. Después de que la nave llega al espacio, se hace innecesario ese gran empuje, especialmente para las estaciones interplanetarias automáticas, que pueden volar a su objetivo durante años.
Propulsión eléctrica
Para tales misiones, es más adecuado un sistema de retropropulsión espacial eléctrica, donde el combustible es gas ionizado, que se dispersa en un campo electromagnético. Debido al bajo consumo del fluido de trabajo, la propulsión eléctrica puede funcionar durante mucho tiempo.
“Debido al bajo nivel de empuje inherente a la propulsión eléctrica, pueden usarse de manera más efectiva solo a distancias suficientemente grandes de la atracción de objetos (planetas y satélites masivos), es decir, en vuelos interplanetarios”, explica el autor del estudio, el matemático de la Universidad Rusa de la Amistad de los Pueblos (RUDN), Alexey Ivanyukhin.
Según él, en el caso de utilizar la propulsión eléctrica en las proximidades de un cuerpo masivo, la aceleración reactiva disponible puede ser extremadamente pequeña con respeto a la aceleración gravitacional, a un nivel de 10-5 -10-4. Pero en trayectorias interplanetarias, el nivel de aceleración reactiva no es muy inferior a la atracción del Sol, y su relación puede ser del orden de 10−2– 10−1.
Alexey Ivanyukhin recordó que fue precisamente a principios de siglo cuando los sistemas eléctricos de retropropulsión espacial comenzaron a usarse como marchantes para estudiar el sistema solar. Los primeros dispositivos fueron Deep Space 1, Smart-1, Hayabusa 1.
Nuevos cálculos
Ahora los matemáticos de la RUDN resolvieron el problema de optimizar la trayectoria de una nave espacial con un sistema de propulsión eléctrica: determinaron la carga útil máxima posible y las características óptimas del sistema de propulsión de potencia que son más adecuadas para cada una de las misiones en consideración. Para determinar estos parámetros, se utilizó un modelo ampliado de sistemas de naves espaciales y características específicas que reflejan el nivel actual de tecnología (por ejemplo, la relación entre la masa de las celdas solares y la energía eléctrica).
Los investigadores examinaron misiones a Marte y Mercurio. Los cálculos mostraron que una sonda de propulsión eléctrica con características específicas puede volar a Marte en 350 días y a Mercurio en 3000 días. Además, los matemáticos han demostrado que para una amplia clase de trayectorias, el valor máximo de la masa neta se logra en la trayectoria con el motor constantemente encendido, es decir, con el mínimo empuje posible requerido para completar el vuelo.
“Esto sugiere que un aumento en el empuje, que reducirá los costos de combustible, es ineficaz en comparación con un aumento en la masa de la central eléctrica en sí misma necesaria para hacer esto. Esto se debe al principal problema de la exploración espacial: la falta de fuentes de energía compactas y potentes”, explicó Alexey Ivanyukhin.
Él y sus colegas planean continuar la investigación en esta dirección. “Por ejemplo, tenemos la intención de considerar misiones a asteroides o vuelos a la luna. También es posible refinar el modelo de operación de propulsión eléctrica o baterías solares. Dicha investigación es de interés para los desarrolladores de propulsión eléctrica y naves espaciales”, concluyó Ivanyukhin.

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