Könnte ein CubeSat von LEO selbst zum Mond fliegen?

Ist es mit aktuellen Technologien möglich, einen CubeSat, der von der Erde gestartet wird, zum Mond zu befördern?

Wenn aktuelle Antriebssysteme dazu in der Lage sind, wie forsche ich in diesem Thema weiter und welche Berechnungen muss ich anstellen, um fortzufahren?

Es kann hilfreich sein, den Titel zu ändern, um Ihre Frage besser widerzuspiegeln. Meinen Sie, dass der CubeSat von einer größeren Rakete getragen wird oder dass der CubeSat sich selbst antreibt? Wenn letzteres, wäre es aus einer niedrigen Erdumlaufbahn? Sie haben Antworten erhalten, die beide Möglichkeiten ansprechen, aber das Klären des Titels würde zukünftigen Zuschauern dieser Frage helfen.

Antworten (3)

Sehen wir uns einige mögliche Beispiele an, die auf der Antwort von @ben und der Antwort von @ Knudsen aufbauen .

Wir wissen, dass die Marco-CubeSats in der Lage waren, mit von der Erde zum Mars zu navigieren

  • Lageregelung über Reaktionsräder und Kaltgasstrahlruder
  • wissenschaftliche Daten- und Bildsammlung
  • Kommunikation direkt mit der Erde über eine einzigartige Pop-up-Flachantenne mit hoher Verstärkung
  • 70 W Solarleistung bei 1 AE über zwei ausfahrbare Solarmodule plus Batteriespeicher
  • Standard-6U-Formfaktor

Weitere Informationen finden Sie in dieser Antwort und den darin enthaltenen Links.

Übernehmen wir also das Marco-Design. Sie haben keinen eigenen Antrieb bereitgestellt, also fügen wir ein Antriebssystem direkt zu Marcos 6U, 14kg Erstkonfiguration hinzu und nennen es 10U und 22 kg. Das zusätzliche 4U-Volumen ist hauptsächlich für Motoren und zusätzlichen Treibstoff, das zusätzliche 8-kg-Massenbudget ist für Motoren und zusätzliche Solarmodule für mehr elektrische Leistung, insbesondere in der Nähe des Mars, und eine ganze Menge mehr Treibstoff!

Auf der Suche nach zumindest scheinbar vorhandenen elektrischen CubeSat-Antriebssystemen, die Sie heute (oder bald) in einen 3U-CubeSat einbauen könnten, ist das erste, das bei meiner Suche auftauchte, der IFM Nano Thruster für CubeSats . Ich bin sicher, dass es da draußen noch andere Möglichkeiten gibt, nehmen wir dies einfach als Beispiel. Laut dieser Seite:

Dynamic thrust range        10 μN to 0.5 mN
Nominal thrust              350 μN
Specific impulse            2,000 to 5000 s
Propellant mass             250 g
Total impulse               more than 5,000 Ns
Power at nominal thrust     35 W incl. neutralizer

Unser Cubesat wird genug Strom für zwei Motoren bei 1 AE haben, da wir den Formfaktor um 4 HE erweitert haben und das Massenbudget um 8 kg größere Solarmodule zulässt.

Unsere beiden handelsüblichen Motoren mit je 250 g Treibladungstanks können einen Gesamtimpuls von bis zu 10.000 Newtonsekunden liefern. Bei einer durchschnittlichen Masse von etwa 20 kg ergibt das nur ein Delta-v von 500 m/s. Aber wie viel brauchen wir?

Glücklicherweise gibt es eine bestehende Mission, die sich bereits damit befasst! Answers to Vom LEO zum Mond nur mit Ionenantrieb mit niedrigem Schub – ist das möglich? sagen, dass die SMART-1-Mission dies bereits getan hat!

Laut diesem Artikel wies das Antriebssystem, das verwendet wurde, um eine Flugbahn von GTO zum Mond (Bruchlandung) bereitzustellen, ein Gesamt-Delta-v von etwa 3.900 m/s auf.

Glücklicherweise hatten wir 8 kg zu unserem Massenbudget hinzugefügt, also hätten wir, wenn wir zusätzliche 5 kg Treibmittel hinzugefügt hätten, einen Gesamtimpuls von 100.000 Newtonsekunden und ein Delta-v von etwa 5.000 m/s.

Abschluss:

Eine Berechnung auf der Rückseite des Umschlags, beginnend mit einem MarCo-ähnlichen CubeSat mit nachgewiesener Fähigkeit, von der Erde bis zum Mars zu fliegen, erweitert von 6U 14 kg auf 10U 22 kg mit zwei bestehenden Triebwerksdesigns und weiteren 5 kg Treibmittel, Wir können mit solarelektrischem Antrieb von GTO zum Mond gelangen.

Das zusätzliche Delta-V ermöglicht es, in der Nähe des Mondes zu manövrieren und ein bisschen Sightseeing und Selfie-Aufnahmen zu machen.

Alternativ könnten Sie das zusätzliche Delta-V verwenden, um sich von LEO zu GTO zu steigern, was eine standardmäßigere CubeSat-Einsatzoption ermöglicht, solange die Neigung nicht zu hoch ist. Das würde wahrscheinlich noch ein paar kg Treibmittel erfordern, also ist es marginal. Der beste Weg, um fortzufahren, wäre, auf einem der vielen bestehenden Starts zu GTO zu hucken, ähnlich wie die Marcos huckepack zum Transferorbit zum Mars.

MarCO: Mars Cube One huckepack zum Mars

Quelle: MarCO: Mars Cube One

unten: Quelle: Emily Lakdawallas Blogpost der Planetary Society MarCO: CubeSats to Mars!

In dieser Antwort gefunden .

MARCO SPACECRAFT: Ingenieur Joel Steinkraus steht mit beiden Raumsonden Mars Cube One (MarCO) im Jet Propulsion Laboratory der NASA. Der linke ist so zusammengeklappt, wie er auf seiner Rakete verstaut wird; Das rechte hat seine Solarmodule vollständig entfaltet, zusammen mit seiner High-Gain-Antenne oben.

MARCO SPACECRAFT vom Blogpost der Planetary Society

Ein alternatives, zukünftiges Antriebssystem mit noch höherem Isp und daher weniger Treibladungsmasse:

Ein ermutigendes Video:

Hervorragende Antwort! Ich wollte mich nicht in die Mathematik wagen, aber ich vermute, dass die erforderliche Größe viel größer als 10U sein würde. Es stellt sich heraus, dass dies eine wirklich erreichbare Mission für eine Gruppe mit einem (relativ) kleinen Zuschuss ist.
@ben Ich denke, es sind mindestens ein paar Millionen US-Dollar, nur um alle Teile zu kaufen, sie zusammenzubauen und einige grundlegende Tests durchzuführen. Vielleicht kannst du etwas sparen, wenn du jede Komponente von Grund auf neu baust, aber das wird nicht so zuverlässig sein. Es gibt auch erhebliche Kosten, um sie weltraumtauglich zu machen und die gesamte Logistik für die Vorbereitung auf den Start zu erledigen und alle Genehmigungen zu erhalten. Dies beinhaltet keinen tatsächlichen Start, der für einen so großen CubeSat besondere Vorkehrungen erfordern würde. Wenn das immer noch als (relativ) klein angesehen wird, dann können Sie loslegen!
Oh, das ist zweifellos eine subjektive Aussage. Niemand macht das zum Beispiel in seiner Garage. Es ist einfach cool, sich vorzustellen, dass wir an einem Punkt angelangt sind, an dem zum Beispiel eine kleine universitäre Forschungsgruppe tatsächlich genug Geld bekommen könnte, um eine Mission zum Mond zu schicken. Natürlich würde dies auch das Trampen einer Fahrt erfordern (wie Sie sagen, ein bisschen komplex mit der Größe) oder die Sicherung der NASA oder einer gleichwertigen Unterstützung für den Start. Es ist cool zu sehen, wie der Weltraum zugänglicher wird. Auch wenn es kleine Schritte sind, sind es Schritte in die richtige Richtung.
@ben absolut! Diese Antwort basiert auf einem bewährten Design. Wenn Sie hier angefangen haben und zum Reißbrett zurückgekehrt sind, werden Sie zweifellos kostengünstigere Lösungen finden. Kommunikation wäre einfacher zu implementieren, da der Mond viel näher ist als der Mars. Denken Sie daran, dass die Strahlung höher ist als in LEO, daher muss die gesamte Elektronik einigermaßen strahlungsresistent und tolerant gegenüber regelmäßigen Fehlern und Abstürzen sein, aber das ist mit Redundanz machbar, die wahrscheinlich billiger ist als erstklassige Rad-Hard Elektronik. Die Triple-Junction-Solarzellen sind sehr teuer, Silizium mit geringerem Wirkungsgrad senkt die Kosten.
„Hey Alexa, wie hoch ist die Energiedichte von Pu-239“

Sehr gut möglich

Cubesats sind klein – typischerweise ist der Basiswürfel 10 cm im Quadrat und unter 1,5 kg und größere Cubesats können aus Kombinationen dieser Basisgröße hergestellt werden. Es wurden viel größere Raumfahrzeuge zum Mond geschickt, und ich kann mir vorstellen, dass es eine beliebige Anzahl möglicher Trägerraketen und Antriebssysteme gibt, um dies zu ermöglichen. Tatsächlich arbeiten derzeit mehrere Gruppen daran:

Cubesats waren bereits im Rahmen der Lander-Mission InSight auf dem Mars .

Selbstfahrend

Aus Ihrer Frage geht nicht hervor, ob Sie nach einem selbstfahrenden Cubesat fragen, der möglicherweise bei LEO beginnt? Wenn ja, sehen Sie sich dieses aktuelle Papier an. Viele der notwendigen Gleichungen werden darin erklärt. Das Konzept von CubeSats mit erheblichen Antriebskapazitäten ist neuer, aber vermutlich könnte man Module hinzufügen, die genug Treibstoff enthalten, damit ein CubeSat selbst zum Mond gelangen kann.

Was braucht man zum Studieren?

Beginnen Sie vielleicht mit der Vis-Viva-Gleichung und der Raketengleichung und ihren jeweiligen Formulierungen. Dies ist eine anständige Einführung in die Orbitalmechanik, wenn Sie ganz von vorne anfangen.

Ein wesentliches Problem ist weniger Delta-V als vielmehr die Funksteuerung. Der Mond ist nicht so weit entfernt, also nicht unüberwindbar, aber ein gutes Funkgerät, das eine große Entfernung zurücklegt und sowohl Signale von der Erde empfängt als auch mit auf der Erde empfangbarer Leistung sendet, ist in der Regel groß und leistungshungrig. Es bringt nicht viel, den schicksten Satelliten zu schicken, wenn er den Kontakt verliert und niemand erfährt, was er entdeckt hat und was er tut.
@SF. sehr wahr, und etwas, das ich in meiner Antwort ausgelassen habe. Die ausgewählte Antwort deckt genau dieses Problem ab, indem ein hypothetisches Design auf den Marco-CubeSats basiert.

Ja, aber das ist noch nicht geschehen.

Die NASA schickt derzeit drei mir bekannte CubeSat-Missionen mit EM-1 irgendwann im Jahr 2020 zum Mond (nach aktuellen Schätzungen der SLS-Zeitachse). Ich glaube, sie sind alle 6U-Raumschiffe. http://exploredeepspace.com/news/the-cubesats-of-slss-em-1/

Die drei Missionen sind:

Alle drei werden einen solarelektrischen Antrieb verwenden, um die Umlaufbahn zu ändern. Nur LunaH und Lunar IceCube werden jedoch tatsächlich Umlaufbahnen um den Mond herstellen.

Eine weitere Untersuchung der Orbitalmechanik wird bei der Bewertung der Kompromisse zwischen dem von der Trägerrakete bereitgestellten Delta-V, Solarenergiesystemen und der Optimierung der Flugbahn mit niedrigem Schub helfen.

Das ist wirklich interessant. "aktuelle Schätzungen der SLS-Zeitlinie" können variieren, aber sie werden irgendwie dorthin gelangen, da bin ich mir sicher ;-) Scott Manleys SLS-Rakete in Schwierigkeiten nach neuer Budgetanforderung des Weißen Hauses
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