完全なミッション分析要素?

私は火星への低推力惑星間ミッションの完全な軌道設計と解析を完了しようとしています。今では、地球から数多くの日付や他のパラメータの最適軌道を計算することができます。私はこれらを簡単に「ポークチョップ」プロットにまとめることができます。私の質問は、これを「完全な」分析と見なすために、軌道設計のために考慮すべき他の要素は何ですか?たとえば、私の頭の上から、私は考えることができる、c3、到着c3、飛行の制約の時間、電力の制約。そこから、欠けている要素がありますか?

Edit I thought of another. I am currently
approximating the 2-D case, so obviously for a “full” analysis, I
will need to increase the case to 3-D.

ベストアンサー

あなたは大変なことをしましたが、不可能ではありませんでした!ミッションアナリストがあなたの仕事を見て、「はい、この軌道は実際に飛行可能です」と言われる前に、取り組むべき側面や課題がたくさんあります。

ジム・ヴェルツの宇宙ミッション解析と設計、David Valladoの Astrodynamics
and
Applicationsの基礎
など、参考文献がいくつかあります。これらの書籍の最新版は高価(数百米ドルのもの)ですが、古い版のほうが多く少なくなり、おそらくあなたの目的には適しています。

あなたが内部の太陽系で作業しているので、使用している低推力推進システムは太陽電気推進(SEP)システムであると仮定します。低推力軌道の特徴の1つは、軌道設計と宇宙船設計が股関節で結合されていることである:宇宙船質量の比較的小さい増加は、SEPシステム設計の変更なしに飛行軌道を飛ばすことができる。

あなたはすでに問題の3次元的側面を特定しています。それを2-Dで実行すると、地球から、金星にいつでも発射できるように見えるかもしれませんが、1/2軌道後に到着します。しかし、一度完全な3-D治療に行くと、黄道に対する金星の軌道傾斜は、打ち上げウィンドウのタイミング、持続時間、およびC3に大きな違いをもたらすことがすぐに分かります。火星や他の惑星でも同じことが言えます。

太陽系のダイナミクスの他の一見小さな側面は、惑星間の軌道に大きな影響を及ぼす可能性があります。
1つの重要な例は、ソーラーライト圧力、RTGやソーラーアレイの背面のような高温部品からの輻射圧、宇宙船コンポーネントの非対称アウトガスによる推進力、推進剤/加圧液漏れなどのさまざまな種類の小さな力です。木星、金星、土星のような他の巨大な太陽系体に起因する重力加速度(あなたはすでに太陽、地球、火星を扱っていると仮定します)。

太陽光の圧力は本当に重要です。あなたの宇宙船が Dawn 宇宙船に似ている場合、
〜1,000kg質量に90mNの推力を作用させると、その推進加速度は〜9 /(10 ^ { – 5}} m/{s ^ {2}}
$である(もちろん、残りの推進剤質量が減少するにつれて変化する)。 1
AUで、反射がないと仮定すると、1平方メートルの領域に太陽光圧力があります$
4.5 times {10 ^ { – 6}} $ N(〜$ 4.5 mu $ N)です。 Dawnの36.4 $ m ^
{2} $のソーラーアレイは、完全に吸収するならば〜160 $ mu $ Nの力を発揮します。その160 $ mu $
NはSEPシステムの推進力の約0.2%であり、それは重要である。部分的に反射するアレイは、より大きな力を生成する。そして、それが十分な頭痛でないかのように、もし配列が正確に太陽に向いていなければ、反射は太陽からの方向に整列していない力の成分を作り出します。軽い圧力の影響を含む完全なミッション分析必須

宇宙船が月、地球、または火星の近くにいないとき、太陽の後に木星は太陽系の大きな犬であり、重力の影響を受けています。金星が得ることができるように金星が近づくと、地球上での重力加速度は、木星のそれの最も近いところの約2/3に過ぎず、ほとんどの時間はそれよりはるかに小さい。土星の最大値は金星の最大値の1/10です。天王星は土星の〜4%です。そして、海王星は天王星の約半分です。地球に最も近いところでは、地球上での木星の重力加速度は、推進加速度の1/300倍のファクタである〜3
$ {10 ^ { – 10}} m/{s ^ {2}} $です。長い飛行時間のために、それは重要になります。

SEPに関連する複数の問題があります。

SEPシステムでは、偏心距離が問題になります。太陽光の強度は1/$ r ^ {2}
$で落ちるため、太陽光線の出力も低下します。偏心距離が増加するにつれて減少する1
AUでSEPスラスタにフルパワーを供給するようにパワーシステムを設計すると、生成される推力も減少し、特定のインパルスもおそらく減少します。スラスタのパワーテーブルは、それらのパワー/推力/特定インパルス曲線を与える。

これは、ハードウェア固有のSEPミッション設計という別のポイントをもたらします。実際のSEPハードウェアには、前述の電源テーブルなどの特性があります。あなたがパワーで変化しないIspを持つ理論的なスラスタを想定しているなら、あなたはいくつかの批判のためにあるかもしれません:
“真のSEPシステムはそうではありません。”

その周りの1つの方法は、スラスタが最大の偏心距離でも最大出力で動作するようにシステムを設計することです。しかし、これは、アレイがより大きく、より重くなることを意味します.1AUでは、過剰設計になるため、余分な電力をダンプするためにシャント・ラジエータが必要になるか、アレイが熱くなります。火星に行くことはそれが価値があるかもしれない。木星に行く?ほとんど間違いない。

ミッションデザインには、パフォーマンス関連のすべてのマージンが常に含まれています。必要とされる電力量のマージン。プロペラントの質量に対するマージンが必要です。生産された推力のマージン。数日前から私のコメントをエコーするには:「デューティサイクル」パラメータを低推力システムに追加することを検討することができます。システムが100%の時間を過ぎていると仮定して軌道を計算すると、
NASAの低推力任務で使用されているDawn(dawn-mission.org/mission/Dawn_overview.pdf参照)などの軌道は、予期せぬ損失を許容するために常に任務マージンを含んでいます電気通信セッションなどのために数時間/週を可能にする追加のデューティサイクル(約95%)を必要としています。

この回答が完全であると主張することはできません。それは本を取るだろう! (私が上で示したように)二次推進システム(RCS
/姿勢制御システム)とその軌道摂動、二次推進システムの使用を必要とする惑星間磁場とその影響、推進剤の必要条件そのシステムのためにいくつかの名前を付けるだけです(そしてマージン!)。しかし、これはあなたに仕事のための感触を与えるべきであり、参考文献(または他の人々が推薦するかもしれない他の参考文献)が穴を埋めることができる。

これがうまくいくと、満足感と達成感を想像し始めるだけです。彼らはこの種の仕事をするためにJPLの大金で人々に払う。がんばろう!

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