Ist ein Kommunikationsrelais für Raumsonden möglich?

Ist es möglich, eine Verbindung zu weit entfernten Raumsonden aufrechtzuerhalten, indem man andere Raumsonden dahinter schickt? Zum Beispiel -

[Erde] ------1---- 2-------3--------4------5 .... und so weiter, falls erforderlich (it hängt von der Entfernung von der Erde ab)

Diese 1,2,3,4,5 sind Raumsonden und sie sollen den ihnen gegebenen Befehl an die nächste Sonde weitergeben?

Meine Frage ist, ist es möglich, auf diese Weise zu navigieren oder eine Verbindung mit der letzten Sonde aufrechtzuerhalten?

Ja, theoretisch. Es wurde noch nicht durchgeführt, aber Breakthrough Starshot untersucht es als einen möglichen Weg, um die Kommunikation mit Nanosatelliten im Lichtjahrmaßstab zu erleichtern.
In Bezug auf die Schwerkraft ändert die Masse die Flugbahn nicht - eine kleinere Sonde hat aufgrund der Schwerkraft eine geringere Kraft, hat aber auch weniger Trägheit und ändert leichter die Richtung, sodass sie dieselbe Flugbahn wie eine größere Sonde hat. Seine geringere Trägheit bedeutet jedoch, dass derselbe Booster ihn auf eine höhere Geschwindigkeit beschleunigt, obwohl diese Verbesserung weniger relevant wird, wenn die Masse der Sonde im Vergleich zum Booster vernachlässigbar wird.
@Deimophobia ... Wenn eine kleine Sonde mit einer größeren Sonde (beide mit denselben Boostern) verglichen wird, die sich schnell bewegen würde?
der kleinere würde schneller reisen, aber wenn beide im Vergleich zum Booster sehr klein sind, wäre der Unterschied sehr gering.
Die großen Antennenschüsseln des DSN und die sehr leistungsfähigen Sender auf der Erde konnten für die Relaisstationen nicht genutzt werden. Die maximale Entfernung von einer Relaisstation zur nächsten wäre viel kleiner als die Entfernung von der Erde zu Pluto.
@Uwe 😅 naja, in diesem Fall können viele Relaisstationen verwendet werden, um nur die letzte zu navigieren?
@user8278 Übrigens, deine letzte Frage ( Another question that I want to ask is that if the probes are small, will gravity affect them less, so they could travel fast?) muss in einem separaten Beitrag gestellt werden. Wir fordern die Konzentration auf ein fokussiertes Thema pro Post.

Antworten (2)

Das wäre aus mehreren Gründen kein guter Ansatz, aber ich werde mich hier auf Macht konzentrieren.

Die Stärke eines Signals fällt proportional zum Quadrat der Entfernung ab, sodass Sonde Nr. 1 bei halber Entfernung 25 % der Leistung wie die Erde übertragen müsste, damit die beiden Signale bei Sonde Nr. 2 die gleiche Stärke haben . Es ist viel einfacher, einen großen Sender auf der Erde zu platzieren, wo wir ihn an das Stromnetz anschließen können, als auf einem Raumschiff, wo er von der Solaranlage oder dem RTG mit Strom versorgt werden muss.

Um einige Zahlen zu nennen, kann das Deep Space Network 20 kW senden, verglichen mit einigen 10 Watt auf einem Raumschiff. 1

(Das DSN hat auch Schüsseln mit 70 m Durchmesser, die es ermöglichen, die Leistung in einem viel schmaleren Strahl zu konzentrieren als bei einer Raumfahrzeugantenne, was der Bodenstation einen noch größeren Vorteil verschafft.)

Bemerkenswert: Dies gilt für Skalenabstände des Sonnensystems plus einige. Wenn es um Entfernungen in der Größenordnung von einem Lichtjahr geht, kann eine Reihe von Relais besser sein als eine einzelne, leistungsstarke Quelle. (Trotzdem bräuchten sie ziemlich starke Energiequellen, und diese sind schwer auf Geschwindigkeiten zu beschleunigen, die in vernünftiger Zeit Lichtjahre zurücklegen würden.)
Diese Antwort gilt nur für die Kommunikation von der Erde zum Satelliten, und soweit ich weiß, gibt es keine Sonden, die durch die Bandbreite in dieser Richtung ernsthaft eingeschränkt sind. Andererseits gilt diese Antwort nicht für die Kommunikation vom Satelliten zur Erde, für die es sinnvoll ist , Kommunikationsrelais-Sats in Betracht zu ziehen.

Eine ergänzende Antwort als Antwort auf den Kommentar von @ JessRiedel:

Diese Antwort gilt nicht für die Kommunikation vom Satelliten zur Erde, für die es sinnvoll ist, Kommunikationsrelais-Sats in Betracht zu ziehen.

(Zitat, weil Kommentare verschwinden können).

Es gibt im Großen und Ganzen zwei Probleme: Orbitaldynamik und Ökonomie.

Orbitaldynamik bedeutet, dass Sie einen Satelliten nicht dauerhaft auf halbem Weg von der Erde zum Jupiter halten können. Nach ein paar Jahren werden die verschiedenen Orbitalbewegungen unter dem Einfluss der Schwerkraft der Sonne die Dinge so bewegt haben, dass sie tatsächlich weiter vom Jupiter entfernt ist als die Erde. Also ist ein solches Relais entweder ein One-Shot für eine bestimmte Mission für einen relativ kurzen Zeitraum, oder Sie brauchen eine ganze Menge davon, die um eine Umlaufbahn verteilt sind, was wahnsinnig teuer wird.

Das wirtschaftliche Problem ist im Wesentlichen eine Variante der Uplink-Überlegungen in der Antwort von @djr: Es ist fast immer billiger, Einrichtungen auf der Erde aufzurüsten, als etwas im Weltraum zu platzieren, das groß genug ist, um nützlich zu sein. Versuchen wir es mit einigen Zahlen: Angenommen, wir platzieren ein Relais auf halber Strecke zwischen der Sonde und der Erde. Auf der Erde haben wir eine sehr hochwertige 70-m-Schüssel und absolut hochmoderne Verstärker, unbegrenzte Leistung, um diese Verstärker zu betreiben, flüssiges Helium, um sie zu kühlen usw. Wenn unser Relais auf halbem Weg zwischen Erde und Ziel ist und es irgendwie schafft eine eigene 70-m-Antenne (massiv größer als alles, was jemals geflogen ist) von gleicher Qualität und ebenso guten Verstärkern und Signalverarbeitung wird die verfügbare Datenbandbreite vervierfachen. Wir könnten das alternativ tun, indem wir drei weitere 70-Meter-Antennen auf der Erde bauen und sie miteinander verbinden (eine gut entwickelte Technologie).

Was nützlich ist und getan wurde, ist, dass ein Haufen kleiner Sonden im selben Teil des Sonnensystems gleichzeitig ihre Kommunikation über ein "Mutterschiff" weiterleitet. Das bedeutet, dass Sie nur einmal die Masse für eine 2- oder 3-Meter-Antenne und einen relativ leistungsstarken Sender einplanen müssen, und Sie können das Relais in eine Umlaufbahn bringen, in der es normalerweise von der Erde aus sichtbar ist. Dies geschieht jetzt für Marsmissionen. Wenn es zum Beispiel eine Flut von Missionen zum Jupiter-System gäbe, wäre der gleiche Ansatz lohnenswert – ein Kommunikationsrelais in eine hohe Jupiter-Umlaufbahn zu bringen und alle Missionen mit weniger massiven und stromhungrigen Systemen durchzuleiten.

Danke, das ist auf jeden Fall nützlich. Folgen Sie Ihrer Logik in Bezug auf "Mutterschiffe": Es scheint, als würden sich Repeater lohnen, wenn die Anzahl der interplanetaren Sonden, die in entfernten Umlaufbahnen (z. B. Kuipergürtel) operieren, die Anzahl der Repeater-Satelliten übersteigt, die Sie in mittleren Umlaufbahnen (z und Uranos). Angenommen, Sie benötigen 10 Repeater-Satelliten auf den Zwischenumlaufbahnen, um sicherzustellen, dass einer immer in Position ist. Wenn 100 Sonden im Kuipergürtel verteilt sind, können Sie sie alle in Gegenwart von Repeatern kleiner machen.
Beachten Sie auch, dass Ihre Argumentation in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit eine Grenze haben muss, dh es muss ein Parameterregime geben, bei dem es wirtschaftlicher ist, die Stärke des Signals von der Sonde zu verbessern, als die Empfindlichkeit der Erdempfänger zu verbessern. (Sonst würden Sonden mit willkürlich niedrigen Leistungspegeln senden und wir würden titanische Empfänger auf der Erde bauen.) Vermutlich ist dies so etwas wie "Sie könnten genauso gut die von der Sonde emittierte Signalleistung erhöhen, bis sie vergleichbar mit der Leistung der Sonde ohne Kommunikation wird Bedarf".
@JessRiedel Das Mutterschiff ist wirklich nur ein Gewinn, wenn es VIEL näher an allen Sonden ist als sie alle an der Erde. Ich bin mir nicht sicher, ob es sich jemals wirklich lohnt, ein Relais auf halbem Weg zu haben. Wenn Sie darüber nachdenken, wird das auf der Erde fast nie gemacht, außer wenn die Sichtlinie ein Problem darstellt.
Warum sollte das sein? Es ist wahr, dass der optimale Standort für das Mutterschiff in der Nähe aller Sonden ist, wenn dies möglich ist, aber wenn dies nicht der Fall ist (z. B. wenn die Sonden verteilt sind), ist es optimal, wenn sich der Repeater in der Mitte befindet. Und es scheint ziemlich klar, dass Repeater im Grenzbereich extremer (z. B. interstellarer) Entfernungen besser sind: Die Gesamtleistungskette von Repeatern mit festem Abstand skaliert linear mit der Entfernung zur Erde, aber der Stromverbrauch durch nicht wiederholte Sonden skaliert quadratisch. Wenn es also im Sonnensystem nicht nützlich ist, muss es an Details liegen.
Betrachten Sie auch die extreme Grenze, wo es, sagen wir, Millionen von Mikrosonden im äußeren Sonnensystem gibt. Überlegen Sie nun, ob Sie einen einzelnen Repeater im Orbit hinzufügen möchten. Das erscheint lohnenswert, auch wenn es ihm aus irgendwelchen Gründen untersagt war, Nachrichten von Sonden in seiner unmittelbaren Umgebung zu wiederholen.
Ich denke, das wichtige Detail ist, dass es VIEL einfacher / billiger ist, eine wirklich große, hochwertige Antenne und einen Verstärker auf der Erde zu bauen, als eine in den Weltraum zu bringen. Pro ausgegebener Milliarde Dollar erhalten Sie also mehr Daten von Antennen auf der Erde, es sei denn, Sie können das erste Relais viel näher an den Ursprung des Signals bringen.
Aber für eine Antenne jeder Größe auf der Erde benötigt die Sonde eine minimale Leistung und eine minimale Antennengröße, um gehört zu werden. Ich behaupte, dass unter der Annahme von Annahmen die minimale Gesamtantennengröße und Gesamtleistung für eine Sonde und einen Repeater zusammengenommen kleiner sind als für eine nicht wiederholte Sonde. Wenn Sie die Sonde noch kleiner machen können, indem Sie billig auf der Erde größer bauen, sollten Sie dies tun, aber irgendwann stoßen Sie auf abnehmende Erträge. An diesem Punkt ist das Hinzufügen von Repeatern ein Gewinn ... aber nur, wenn Sie so viele Sonden haben, die sich den Repeater teilen, dass dies die mehreren Repeater ausgleicht, die Sie benötigen (b / c der Orbit-Synchronisierung).
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