El matemático de la RUDN calculó la ruta de vuelo óptima a Marte y Mercurio para una sonda de propulsión eléctrica

Las propulsiones químicas crean un gran empuje, que permite poner en órbita toneladas de carga en cuestión de minutos, y se consume una gran cantidad de combustible. Después de que la nave aparece en el espacio ultraterrestre, se hace innecesario el gran empuje, especialmente para las estaciones interplanetarias automáticas, que pueden volar a su objetivo durante años.

Para tales misiones, es más adecuado el sistema de retropropulsión espacial eléctrica, donde el fluido de trabajo es el 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 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 (el paso de un asteroide y dos cometas), Smart-1 (acceso a la órbita lunar), Hayabusa (entrega de muestras de suelo del asteroide Itokawa), Dawn (un vuelo secuencial a los asteroides Vest y Ceres).

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 células 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 con una fecha de lanzamiento del 30 de abril de 2035. El vuelo a Mercurio tomará alrededor de 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 mismo necesario para 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 para entregar tierra 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 Alexey Ivanyukhin.

El artículo en la revista Cosmic Research