Межпланетный Микрозонд (сферический в вакууме)

FILAS> 1) Связь
антенны мелкими сделать не получится ведь

FILAS>> 1) Связь
s.t.> антенны мелкими сделать не получится ведь

Как раз в этом и вопрос. Как определить их минимальный размер. Я в антеннах вообще не разбираюсь.

Для оптики мы упираемся в дифракционный предел.
Угловое разрешение в радианах
psi=(1.22*lambda/D)
Т.е. диаметр объектива
D=(1.22*lambda/psi)
Здесь, lamda=550*10^-9 м - длина волны.
Вопрос, какое угловое разрешение psi взять за базовое.

FILAS> Для оптики мы упираемся в дифракционный предел.
FILAS> Угловое разрешение в радианах
FILAS> psi=(1.22*lambda/D)
FILAS> Т.е. диаметр объектива
FILAS> D=(1.22*lambda/psi)
FILAS> Здесь, lamda=550*10^-9 м - длина волны.
FILAS> Вопрос, какое угловое разрешение psi взять за базовое.


Зонная решётка в помощь. Линза может быть сколь угодно лёгкой, если мы согласны на светопропускание в 50%
Хотя, в общем, и это не догма. Представим зонную пластинку из поликарбонатной плёнки толщиной 0,25 микрона в тонких местах и 0,5 микрона в толстых. При выведении и разгоне она свёрнута в рулон, который, опять же, согнут в кольцо. После разворачивания надуваем кольцевой шпангоут до 100 Па, дополнительно стабилизируем вращением.

Конечно, у неё будет разное фокусное расстояние для красного, инфракрасного, зелёного и т.д. Но это можно учесть конструкцией фотоприёмников, всё равно, сейчас полезнее спектрозональные снимки.

Аналогично конструируем фазированную антенную решётку для связной радиолинии. на плёнке в полмикрона рисуем проводящие элементы в две десятых микрона. К каждому элементу свой фазовращатель, транзистор и т.д. Лишь бы научиться разворачивать эти сотни квадратных метров.

И, понятно, как-то добывать энергию для всего этого.

Нет, допущения должны быть реалистичными...

FILAS> Заинтересовал следующий вопрос.
FILAS> Насколько миниатюрным можно создать микрозонд для изучения Солнечной системы?
FILAS> Какие есть ограничения по размерам "снизу"?
FILAS> Предполагается что микрозонды можно разогнать лазером до скоростей порядка 100-1000 км/с.

Как-то тоже думал на эту тему. Выводы:

1) Из электромагнитной пушки. Наведение по углу, как у немецких мегаорудий, изогнутым рельсовым путём, по возвышению (если это можно так называть) — вращением глобуса.
2) Так как перегрузка более 1000g, никаких движущися частей. Моноблок.
3) Энергетика — РИТЭГ с именно что термоэлектрическим преобразователем. Где-то 50 Вт тепловой должно хватить.
4) Двигатель коррекции — ионник. Его малая тяга тут не помеха, всё равно лететь долго. Зато рабочего тела нужно мало.
5) Не шар, а конус. Ему же атмосферу пробивать. Снизу вверх.
6) Передающая антенна — ФАР в дне конуса. Электроника сейчас дёшева. Бодовая скорость будет не ахти, но сидели же мы в интернете на 2400
7) Приёмная отсутствует за ненадобностью.
8) Ты забыл радиометр как минимум, а ещё хорошо бы транскутанный рентгеновский спектрометр поставить, мы же хотим знать химсостав встреченных объектов?

ИМХО, где-то в 1 кг это реально запихать, если очень постараться.

Sandro> 1) Из электромагнитной пушки.
Создание такой пушки очень дорого. При существующей инфраструктуре запусков на ГПО-ГСО - бессмысленно.

Sandro> 2) Так как перегрузка более 1000g, никаких движущися частей. Моноблок.
Рабочее тело ионного (или стационарного плазменного двигателя) - уже подвижная часть. Плюс клапан подачи.

Sandro> 3) Энергетика — РИТЭГ с именно что термоэлектрическим преобразователем. Где-то 50 Вт тепловой должно хватить.
На ионник? И передатчик на межпланетную дальность.

Sandro> 4) Двигатель коррекции — ионник. Его малая тяга тут не помеха, всё равно лететь долго. Зато рабочего тела нужно мало.
Длительная работа ДУ потребует длительной работы систем ориентации и астрогации.

Sandro> 5) Не шар, а конус. Ему же атмосферу пробивать. Снизу вверх.
Тепловую защиту попробуешь оценить? Что-то мне подсказывает, что чтобы иметь на выходе из атмосферы вторую космическую - 1 кг на тепловую защиту не хватит.

Sandro> 6) Передающая антенна — ФАР в дне конуса. Электроника сейчас дёшева. Бодовая скорость будет не ахти, но сидели же мы в интернете на 2400
Физическая апертура получится крошечной.

Мое "ИМХО" по теме - КА для попутных запусков. Цепляется на РБ, выводящий спутник на ГСО или ГПО, самостоятельно набирает необходимые ~2 км/с отлетной на химии, скорее всего даже на твердотопливном движке. Изучение цели (я в первую очередь думаю про астероиды) на пролетной траектории, одна-две коррекции опять же на химии, и опять же скорее всего на твердотопливных движках, возврат на Землю, падение в заданный район, вернувшийся микро-СА с флэшкой шлет СМС-ку с данными от своего навигационного приемника. Обсуждение здесь: Поход к астероидам (сугубо по делу) [Полл#03.01.18 11:57]

Sandro>> 1) Из электромагнитной пушки.
Полл> Создание такой пушки очень дорого. При существующей инфраструктуре запусков на ГПО-ГСО - бессмысленно.

Есть дорого, а есть слишком дорого. Я на космодромах никогда не был, а вот один мой друг там налаживал электронику. Говорит, сел отдохнуть на край чаши (он высоты не боится), смотришь и думаешь — какое же оно всё огромное! Сколько выкопали, сколько бетона залили...

Не факт, что пушка будет дороже.

Sandro>> 2) Так как перегрузка более 1000g, никаких движущися частей. Моноблок.
Полл> Рабочее тело ионного (или стационарного плазменного двигателя) - уже подвижная часть. Плюс клапан подачи.

Ну хорошо. Без механики. Так устроит?

А подачу можно организовать через испарение металлической проволоки током. Для этого клапаны не нужны.

Sandro>> 3) Энергетика — РИТЭГ с именно что термоэлектрическим преобразователем. Где-то 50 Вт тепловой должно хватить.
Полл> На ионник? И передатчик на межпланетную дальность.

Почему нет? В пересчёте на ток около 10 Дж/сек.
31,5 МДж / год. Примерно семь кило тротилового эквивалента. Что, не хватит подрулить и пообщаться?

Sandro>> 4) Двигатель коррекции — ионник. Его малая тяга тут не помеха, всё равно лететь долго. Зато рабочего тела нужно мало.
Полл> Длительная работа ДУ потребует длительной работы систем ориентации и астрогации.

Да. Но я не понял, в чём вопрос.

Sandro>> 5) Не шар, а конус. Ему же атмосферу пробивать. Снизу вверх.
Полл> Тепловую защиту попробуешь оценить? Что-то мне подсказывает, что чтобы иметь на выходе из атмосферы вторую космическую - 1 кг на тепловую защиту не хватит.

Вот блин я опять всю ночь не спал, а ты меня считать заставляешь. Ладно, оценим по максимуму. Итак, допустим, стартовая — 50 км/сек. На гиперзвуке можно в первом приближении считать, что энерговыход — это всё, что ты собрал по пути. Допустим, длина трассы — 100 км, а средняя плотность — килограмм на куб. Диаметр 10 см. То есть, сечение грубо 70. Цилиндр такого сечения и длиной 100 км содержит 700 кг воздуха, если не обсчитался.

E = mv2/2;

50000*50000*700/2 = 875 ГДж. Нефигово так. Но есть надежда, что это можно будет сбросить в абляцию, в завесу. Сбрасывают же в ракетных моторах. Но изделие ошпарит преизрядно, тут спору нет.

Sandro>> 6) Передающая антенна — ФАР в дне конуса. Электроника сейчас дёшева. Бодовая скорость будет не ахти, но сидели же мы в интернете на 2400
Полл> Физическая апертура получится крошечной.

Тут есть хитрости

Полл> Изучение цели (я в первую очередь думаю про астероиды) на пролетной траектории,

Да, я сам тоже про астероиды. И на пролётной, тормозить там будет попросту нечем.

Полл> возврат на Землю, падение в заданный район, вернувшийся микро-СА с флэшкой ...

А вот тут не согласен. Требуя возврата, ты удваиваешь характерическую скорость. Может, лучше в один конец? Робота ведь не жалко. Лучше бы этот вес на оборудование потратить.

PS: Да, насчёт радио. После изобретения шумоподобных кодов можно передавать при очень низких уровнях сигнал/шум. Даже ниже фонового шума Вселенной. То есть, проблема не в том, удастся ли передать, а в скорости.
В твоём телефоне GPS-приёмник работает на скорости 10240 бит/сек. А теперь посмотри, насколько уровень принимаемого сигнала ниже уровня космического шума.

Sandro> Может, лучше в один конец? Робота ведь не жалко. Лучше бы этот вес на оборудование потратить
Если мелочь посылать, может, воткнуть в объект? Правда, скорости совсем уж дикие, не выживет.

Sandro> Не факт, что пушка будет дороже.
Космодром - он уже есть. И ракета-носитель уже есть.
А пушку надо будет разработать и построить заново.

Sandro> А подачу можно организовать через испарение металлической проволоки током. Для этого клапаны не нужны.
Рабочее тело СПД - ксенон. В ионниках тоже применяются благородные газы.

Sandro> 31,5 МДж / год. Примерно семь кило тротилового эквивалента. Что, не хватит подрулить и пообщаться?
Нет.
У тебя на борту нет АКБ, которая сможет запасать энергию хотя бы за неделю. А мощность РИТЕГА совсем малая. А если подобная АКБ есть - это опять же масса.

Полл>> Длительная работа ДУ потребует длительной работы систем ориентации и астрогации.
Sandro> Да. Но я не понял, в чём вопрос.
В потреблении энергии этими системами, в потребном ресурсе, то есть массе этих систем.

Sandro> А вот тут не согласен. Требуя возврата, ты удваиваешь характерическую скорость.
Для полета к астероиду характеристическая скорость с ГПО порядка 2,5 км/с.
Для полета к астероиду с ГПО и возврата на Землю характеристическая скорость порядка 3 км/с.

Sandro> PS: Да, насчёт радио. После изобретения шумоподобных кодов можно передавать при очень низких уровнях сигнал/шум. Даже ниже фонового шума Вселенной. То есть, проблема не в том, удастся ли передать, а в скорости.
Нужно еще навестись. И поддерживать ориентацию все время передачи. Смотри выше об этом.
А главное - потребуется иметь соответствующий приемник, который будет работать все это время.
В результате получается очень дорогое решение.

Полл> А главное - потребуется иметь соответствующий приемник, который будет работать все это время.
А у имеющихся, которые работают с вояджером, какие характеристики, под них и строить космолет? Если уж исходить из итого, что есть?

s.t.> А у имеющихся, которые работают с вояджером, какие характеристики, под них и строить космолет?
Это сеть дальней космической связи НАСА.
Она обеспечивает работу всех межпланетных миссий, это и марсоходы, и АМС на орбитах Марса, Венеры и Луны, и летящие сейчас дальние миссии, включая "Вояджеры".
С обеспечением связи еще одного КА в поясе астероидов эта система конечно справится.
Но если ставится задача запускать подобные КА массово, к примеру, для обследования хотя бы "именных" астероидов, которых на сегодня известно ~19 000, то пропускная возможность "приемника" становится проблемой.

FILAS> тема возникла после просмотра данного документа
FILAS> https://www.nasa.gov/.../roadmap_to_interstellar_flight_tagged.pdf
FILAS> Честно говоря, до конца еще не осилил.
FILAS> Просто снизил запросы с межзвездного полета до более реальных. Орды одинаковых зондов исследуют Солнечную систему и окрестности. Запуск, вероятнее всего, с орбиты.

Почитайте про мильнеровский StarShot

Если мы говорим о межпланетниках,то выше про фазированную решетку уже говорили.

Это уже вполне работающая и отработанная вещь.Следующий шаг-Mars Micro Orbiter.

Полл> Рабочее тело СПД - ксенон. В ионниках тоже применяются благородные газы.

Не обязательно. Можно и литиевую проволоку жечь в импульсном режиме.

Полл> У тебя на борту нет АКБ, которая сможет запасать энергию хотя бы за неделю. А мощность РИТЕГА совсем малая. А если подобная АКБ есть - это опять же масса.

Не АКБ. Конденсатор, встроенный в оболочку аппарата. Фактически - вся оболочка и будет многослойным конденсатором.

А вообще, предпочтительнее посылать в исследуемые скопления относительно крупные аппараты, которые уже в относительной близости будут отстреливать неуправляемые зонды. Тогда и проблема дальней связи решается проще, через промежуточный передатчик и энергетику крупного аппарата сделать проще, чем совсем уж малого.

И РИТЭГ-и тут - зло. Лучше уж бета-вольтаика.

Naib> Не обязательно. Можно и литиевую проволоку жечь в импульсном режиме.
КПД у электроимпульсных двигателей никакой.

Naib> Не АКБ. Конденсатор, встроенный в оболочку аппарата. Фактически - вся оболочка и будет многослойным конденсатором.
Оболочка аппарата в этом проекте появилась для выполнения защитных функций.
В твоем же варианте она будет выполнять функцию самоликвидации аппарата при любом повреждении.

Naib> А вообще, предпочтительнее посылать в исследуемые скопления относительно крупные аппараты, которые уже в относительной близости будут отстреливать неуправляемые зонды.
Это вопрос оптимизации.

Полл> КПД у электроимпульсных двигателей никакой.

Зато УИ бешеный. Если время не жмёт, да и энергии хватает, то фиг с ним, с КПД.

Полл> Оболочка аппарата в этом проекте появилась для выполнения защитных функций.
Полл> В твоем же варианте она будет выполнять функцию самоликвидации аппарата при любом повреждении.

Не обязательно. Если пожертвовать ёмкостью и сделать изолирующий слой потолще, то механический пробой не особо страшен. Впрочем, на тех скоростях он всё равно фатален для аппарата. Другое дело, что вероятность его чрезвычайно мала.

Конденсатор позволяет использовать импульсный двигатель и не деградирует в отличие от АКБ.

Naib> Зато УИ бешеный. Если время не жмёт, да и энергии хватает, то фиг с ним, с КПД.
Так и тяга будет, по меркам ЭРД, бешенная. На СПД развернулся в активный конфиг и так аппарат и чухает месяцами.
А с импульсником достаточно большой тяги надо будет или перед импульсом перекладываться из конфига накопления энергии в активный, или повышать массу конструкции.

Naib> Не обязательно. Если пожертвовать ёмкостью и сделать изолирующий слой потолще, то механический пробой не особо страшен.
Кроме механического пробоя есть еще эрозия.

Naib> Конденсатор позволяет использовать импульсный двигатель и не деградирует в отличие от АКБ.
Зато у конденсатора есть саморазряд:

Полл> А с импульсником достаточно большой тяги надо будет или перед импульсом перекладываться из конфига накопления энергии в активный, или повышать массу конструкции.

Лет десять назад я дорвался вот до такой установки

Только моя помощнее была (10 МВт и до 4 кДж в импульсе) и в другом институте.
Не суть.

Возможности у неё просто ошеломляющие. Надеюсь потом к ним ещё вернуться или себе такую построить.

Так вот, там же были установочки со спичечный коробок, маломощные и именно для вариантов космического приложения. Они "не взлетели". Как одна из причин - гуляющий импульс, он бил не строго по центру установки, а всегда немного вбок. Причём этот "вбок" каждый раз был новый. Да и геометрическая плотность плазмы гуляла, часто пучок разделялся на 2-4 плазменных шара.

Мы тогда прозвали её BFG-10000, за изрядное сходство с подобным устройством из Дума.

Запитывалась она от конденсатора, использовала любое рабочее тело, лишь бы хоть как ток проводило.

Проблемы фокусировки должны быть решаемы и в целом мне эта ветка двигателей кажется перспективной в своей нише.

Sandro> 4) Двигатель коррекции — ионник. Его малая тяга тут не помеха, всё равно лететь долго. Зато рабочего тела нужно мало.
Sandro> 5) Не шар, а конус. Ему же атмосферу пробивать. Снизу вверх.
Sandro> 6) Передающая антенна — ФАР в дне конуса. Электроника сейчас дёшева. Бодовая скорость будет не ахти, но сидели же мы в интернете на 2400
Sandro> 7) Приёмная отсутствует за ненадобностью.

А как без приемной антенны собираетесь данные на коррекцию закладывать?

Да и несколько оптимистично относитесь к трафику. От Плутона Новые горизонты передает со скорость 96 байт в секунду. При мощности где-то несколько десятков ватт.

Вы учтите, что если вытянете скажем 1 байт в секунду. То и на телеметрию на инепрерывную придется забыть и один снимок возможно придется передавать где-то неделю.

Самый легкий у нас Пионер-10/11 - 256 кг. Возможно можно будет понизить массу до цифр меньше сотни, но лучше экстримом здесь не заниматься. СЛишком много проблем выплывает при экономии массы

FILAS> тема возникла после просмотра данного документа
FILAS> https://www.nasa.gov/.../roadmap_to_interstellar_flight_tagged.pdf
FILAS> Честно говоря, до конца еще не осилил.
FILAS> Просто снизил запросы с межзвездного полета до более реальных. Орды одинаковых зондов исследуют Солнечную систему и окрестности. Запуск, вероятнее всего, с орбиты.

Мы уже сняли "сливки" с пролетных миссий. Теперь, чтобы получить новое качество, лучше рассматривать орбитальные и посадочные станции

Sandro>> 6) Передающая антенна — ФАР в дне конуса. Электроника сейчас дёшева. Бодовая скорость будет не ахти, но сидели же мы в интернете на 2400
Sandro>> 7) Приёмная отсутствует за ненадобностью.
PSS> А как без приемной антенны собираетесь данные на коррекцию закладывать?

Астрометрически. Ну да, нужен нормальный альманах, нужны данные о вращении глобуса и прочих космических тел, программа полёта, софт толковый, но выглядит реализуемо.

Тем более, что атмосферный участок будет в плазме, там вообще вслепую, по инерциалке.

PSS> Да и несколько оптимистично относитесь к трафику. От Плутона Новые горизонты передает со скорость 96 байт в секунду. При мощности где-то несколько десятков ватт.

GPS вытягивает 10 килобит, а там передатчик дохленький. 25 Ватт, если не ошибаюсь.

PSS> Вы учтите, что если вытянете скажем 1 байт в секунду. То и на телеметрию на инепрерывную придется забыть и один снимок возможно придется передавать где-то неделю.

А GPS может на порядки больше!

PSS> Самый легкий у нас Пионер-10/11 - 256 кг. Возможно можно будет понизить массу до цифр меньше сотни, но лучше экстримом здесь не заниматься. СЛишком много проблем выплывает при экономии массы

В конечном счёте, всё упирается в энергетику борта, не? Электроника по нынешним временам влезет в спичечный коробок, но энергия — нет. Так?

Да, про Пионер. Тогда электроника была реально большая. Хоть там и ужимались, как могли, одна конструкция антенны чего стоит. Но я бы сейчас не стал на него ровняться.

Sandro>> Не факт, что пушка будет дороже.
Полл> Космодром - он уже есть. И ракета-носитель уже есть.
Полл> А пушку надо будет разработать и построить заново.

Отчасти убедительно. Но, например, с площадями отчуждения как быть? При космодроме они обязательны, у нас же сухопутная страна. А в пушке можно сделать принудительное разрушение при недоборе скорости. Например.

Sandro>> А подачу можно организовать через испарение металлической проволоки током. Для этого клапаны не нужны.
Полл> Рабочее тело СПД - ксенон. В ионниках тоже применяются благородные газы.

По историческим причинам. Так-то можно ртуть использовать, например. Уменьшает размер движка, насколько я помню. Из-за большой атомной массы.

Sandro>> 31,5 МДж / год. Примерно семь кило тротилового эквивалента. Что, не хватит подрулить и пообщаться?
Полл> Нет.
Полл> У тебя на борту нет АКБ, которая сможет запасать энергию хотя бы за неделю. А мощность РИТЕГА совсем малая. А если подобная АКБ есть - это опять же масса.

Зачем запасать??? Ползти на малой тяге вверх. По спирали, да. Мы же экономим вес за счёт огромного УИ?

Полл>>> Длительная работа ДУ потребует длительной работы систем ориентации и астрогации.
Sandro>> Да. Но я не понял, в чём вопрос.
Полл> В потреблении энергии этими системами, в потребном ресурсе, то есть массе этих систем.

Силовая установка в любом случае сожрёт больше. Ресурс ... ну идеи есть. Мы же о космическом зонде всё ещё?


Sandro>> А вот тут не согласен. Требуя возврата, ты удваиваешь характерическую скорость.
Полл> Для полета к астероиду характеристическая скорость с ГПО порядка 2,5 км/с.

В одну сторону и в плоскости эклиптики. И если повезёт. Кстати, тормозить будем?

Полл> Для полета к астероиду с ГПО и возврата на Землю характеристическая скорость порядка 3 км/с.

Если очень повезёт. Я не настолько рисковый ")

Всё же, хотелось бы запустить в астероидный пояс, там добра больше должно быть. И на химии туда ехать — ну явно нецелесообразно. Посему сила атома.

Sandro>> PS: Да, насчёт радио. После изобретения шумоподобных кодов можно передавать при очень низких уровнях сигнал/шум. Даже ниже фонового шума Вселенной. То есть, проблема не в том, удастся ли передать, а в скорости.
Полл> Нужно еще навестись. И поддерживать ориентацию все время передачи. Смотри выше об этом.

ФАР. Я специально про неё. Она снимает вопрос с ориентацией. А шумоподобный сигнал давит побочные лучи. Мощность можно перенаправить в основной.

Полл> А главное - потребуется иметь соответствующий приемник, который будет работать все это время.

Ну а как без этого?

Полл> В результате получается очень дорогое решение.

Нынешний космос дёшев?

Ещё раз, я про нишевое решение про массовый запуск зондов. На универсальность не претендую.

Sandro> Астрометрически. Ну да, нужен нормальный альманах, нужны данные о вращении глобуса и прочих космических тел, программа полёта, софт толковый, но выглядит реализуемо.

Теоретически реализуемо. Более того алгоритмически не очень сложная задача, но...

В общем очень требовательная к железу. Просто задачу трех тел невозможно решить аналитически, только
численно. И хотя рассчитать одну траекторию очень просто, для определения зоны траекторий и оценке коррекций нужно оценить тысячи траекторий с небольшим шагом.

Я когда оценивал для полета к Луне всю трубку траекторий, у меня комп считал несколько часов. Современный комп. А там и расстояния небольшие и многое другое.

И расчет одной траектории не распараллеливания. Связки - легко. Плюс есть разные способы облегчения решения подобных задач. Но все равно желательны многоядерные системы. И заметные затраты мощности процессора

Также очень все зависит от часов. По точности подойдут кварцевые. Но если они вдруг уйдут, то все. Сушите весла. Точное астрономическое время в полете определить очень сложно

В общем шило на мыло. И лучше поставить приемник. Он очень полезен не только для коррекций.

Sandro> Тем более, что атмосферный участок будет в плазме, там вообще вслепую, по инерциалке.

Не очень понял. Это к чему.

PSS>> Да и несколько оптимистично относитесь к трафику. От Плутона Новые горизонты передает со скорость 96 байт в секунду. При мощности где-то несколько десятков ватт.
Sandro> GPS вытягивает 10 килобит, а там передатчик дохленький. 25 Ватт, если не ошибаюсь.

25 ватт для межпланетных станций далеко не дохлый. А весьма приличный. На 1 кг АМС вряд ли запихнуть.
Но главное - эти спутники находятся куда ближе Луны...


Sandro> А GPS может на порядки больше!
Его сигнал мы от Плутона передаем? Или хотя бы от Сатурна? Уверен беспроводной роутер в вашей комнате выдает еще больший трафик.

Sandro> Да, про Пионер. Тогда электроника была реально большая. Хоть там и ужимались, как могли, одна конструкция антенны чего стоит. Но я бы сейчас не стал на него ровняться.

Электроника там была как раз достаточно небольшая. Просто возможностей было у нее мало. И конструкция антенны тоже дитя компромиссов. Тогда очень расстраивались, что из-за ограничений не смогли сделать ее больше. Под обтекатель не помещалась.