Trayectorias interplanetarias con motores de bajo empuje

Abstract

[ES] En los últimos años están proliferando numerosos proyectos de misiones interplanetarias con la finalidad de estudiar en profundidad el sistema solar. Todo ello muestra el inicio de una nueva carrera espacial, tanto por parte de agencias gubernamentales como por parte de empresas privadas, destinando a estos proyectos gran cantidad de recursos.

En esta carrera espacial resulta de especial interés estudiar y comparar diferentes tecnologías propulsivas. Una de estas tecnologías más utilizada en los últimos tiempos es la utilización de motores de iones que no queman combustible si no que usan electricidad como fuente de energía y gases como el xenón. Estos motores funcionan con un principio llamado Efecto Hall: partículas, generalmente de un gas noble, son aceleradas por un campo eléctrico, siendo esas partículas, cargadas eléctricamente (de ahí el nombre de motor de iones), las que salen expulsadas a gran velocidad, provocando el movimiento. Este tipo de propulsores son cada vez más estudiados y utilizados porque permiten reducir notablemente el peso de las naves.

En este trabajo se estudiará la viabilidad de llegar a órbitas exteriores a la terrestre, como la marciana desde la órbita terrestre utilizando diferentes motores iónicos o de plasma. Al ser estos motores de bajo empuje y alto impulso específico será necesario considerar un propagador orbital que incluya perturbaciones planetarias. La trayectoria deberá ser simulada completamente por el propagador ya que no se puede interpretar como una maniobra impulsiva puesto que el empuje es muy bajo y duradero. El objetivo del trabajo será la comparación de las diferentes trayectorias teniendo en cuenta los tiempos de vuelo necesarios para llegar al objetivo y las restricciones de los propulsores.

[EN] In recent years, numerous interplanetary mission projects have proliferated with the aim of studying the solar system in depth. This shows the beginning of a new space race, both by government agencies and by private companies, with a large amount of resources being devoted to these projects.

In this space race, it is of particular interest to study and compare different propulsion technologies. One of the most recently developed technologies is the use of ion engines that do not burn fuel, but use electricity as an energy source and gases such as xenon. These engines work on a principle called the Hall Effect: particles, generally of a noble gas, are accelerated by an electric field, and these electrically charged particles (hence the name ion engine) are expelled at high speed, causing movement. This type of propulsion system is increasingly being studied and used because it can significantly reduce the weight of the spacecraft.

In this project it will be studied the feasibility of reaching outer orbits, such as the Martian orbit, from Earth orbit using different ion or plasma engines. As these engines have low thrust and high specific impulse, it will be necessary to consider an orbital propagator including planetary perturbations. The trajectory will have to be fully simulated by the propagator as it cannot be interpreted as an impulsive manoeuvre since the thrust is very low and long lasting. The objective of the work will be the comparison of different trajectories taking into account the flight times needed to reach the target and the constraints of the thrusters.

[CA] En els últims anys estan proliferant nombrosos projectes de missions interplanetàries amb la finalitat d'estudiar en profunditat el sistema solar. Tot això mostra l'inici d'una nova carrera espacial, tant per part d'agències governamentals com per part d'empreses privades, destinant a aquests projectes gran quantitat de recursos. En aquesta carrera espacial resulta d'especial interés estudiar i comparar diferents tecnologies propulsives. Una de les tecnologies que més desenvolupament ha mostrat en els últims temps és la utilització de motors d'ions que no cremen combustible, si no que usen electricitat com a font d'energia i gasos com el xenó. Aquests motors funcionen amb un principi anomenat Efecte Hall: partícules, generalment d'un gas noble, són accelerades per un camp elèctric, sent aqueixes partícules, carregades elèctricament (d'ací el nom de motor d'ions), les que ixen expulsades a gran velocitat, provocant el moviment. Aquest tipus de propulsors són cada vegada més estudiats i utilitzats perquè permeten reduir notablement el pes de les naus. En aquest treball s'estudiarà la viabilitat d'arribar a òrbites exteriors a la terrestre, com la marciana des de l'òrbita terrestre utilitzant diferents motors iònics o de plasma. Al ser aquests motors de baix empenyiment i alt impuls específic serà necessari considerar un propagador orbital que incloga pertorbacions planetàries. La trajectòria haurà de ser simulada completament pel propagador ja que no es pot interpretar com una maniobra impulsiva perquè l'empenyiment és molt baix i durador. L'objectiu del treball serà la comparació de les diferents trajectòries tenint en compte els temps de vol necessaris per a arribar a l'objectiu i les restriccions dels propulsors