Comparativa de misiones interplanetarias con motores de bajo empuje: Estudio de posibles expediciones a 617-Patroclus.

Abstract

[ES] Las misiones espaciales se denominan interplanetarias cuando el trayecto supera la órbita del sistema Tierra-Luna. Este tipo de misiones son tecnológicamente realizables, por ello en los últimos años ha aumentado su número, como por ejemplo Mars 2020, Hope o Tianwen-1. Estas misiones permiten estudiar mucho más a fondo el sistema solar, o incluso llegar a pensar en la colonización de planetas vecinos. Los vehículos espaciales que permiten llevar a cabo este tipo de misiones precisan de cohetes de combustible químico para salir de la atmósfera terrestre pero una vez alcanzan el espacio exterior, existen diversas posibilidades para propulsar el vehículo, motores químicos, iónicos, velas solares, etc. El objetivo del presente trabajo final de máster se enfoca en realizar un estudio comparativo del comportamiento de tres motores diferentes de bajo empuje al realizar misiones interplanetarias: uno existente (SPT-140), otro vanguardista (NEXT) y un tercero futurista (VASIMR), cada uno con diferentes características técnicas. Como aplicación de este análisis comparativo se estudia una misión interplanetaria de transferencia desde la órbita terrestre al asteroide Patroclus. Este asteroide es un cuerpo celeste de los denominados troyanos de Júpiter, situado en las proximidades del punto de Lagrange L5 de este planeta. El interés en Patroclus se debe principalmente a que durante mucho tiempo se pensó que era uno de los troyanos más grandes de Júpiter, hasta que se descubrió que era un asteroide de tipo binario. Fue el primer asteroide de este tipo descubierto entre los troyanos de Júpiter. Actualmente se denomina Patroclus al mayor de los cuerpos del sistema binario y Moenius al más pequeño. Además de ser binario, su densidad parece ser menor que la del agua, lo que hace pensar que ambos cuerpos tienen un origen más parecido al de un cometa que al de un asteroide. Por todas estas razones, resultaría interesante llevar a cabo una misión de investigación a este asteroide binario, lo que permitiría obtener más información para indagar acerca del origen de estos dos cuerpos celestes.

[EN] Space missions are called interplanetary when the path exceeds the orbit of the Earth-Moon system. These types of missions are technologically feasible, so the number of them has increased in the last years, such as Mars 2020, Hope or Tianwen-1. These missions make possible to study the solar system much more thoroughly, or even to think about the colonization of neighboring planets. The space vehicles that allow to carry out these missions require chemical fuel rockets to leave the Earth's atmosphere. But, once they reach the outer space, there are different several possibilities to impuls the vehicle: chemical and ionic engines, solar sails, etc. The objective of this final master's thesis focuses on carrying out a comparative study of the behavior of three different low-thrust engines on interplanetary missions: an existing one (SPT-140), an avant-garde (NEXT) and a third futuristic one (VASIMR), each of them with different technical characteristics. As an application of this comparative analysis, an interplanetary transfer mission from Earth orbit to the asteroid Patroclus is studied. This asteroid is a celestial body of the so-called Jupiter Trojans, which is located in the vicinity of the Lagrange point L5 of this planet. Patroclus was thought to be one of the largest Trojans on Jupiter until it was discovered it is a binary-type asteroid. In fact, it was the first asteroid of this type discovered between the Jupiter Trojans. Nowadays, Patroclus is the name of the largest body in the binary system and Moenius the smallest one. In addition, its density seems to be lower than that of water, which suggests that both bodies have an origin more similar to that of a comet than an asteroid. This justifies the interest in a research mission to this binary asteroid, to obtain more information about the origin of these celestial bodies.

[CA] Les missions espacials es denominen interplanetàries quan el trajecte supera l'òrbita del sistema Terra-Lluna. Aquest tpus de missions són tecnològicament realitzables, per això en els darrers anys ha augmentat el seu nombre, com ara Mars 2020, Hope o Tianwen-1. Aquestes missions permeten estudiar molt més a fons el sistema solar, o fns i tot arribar a pensar en la colonització de planetes veïns. Els vehicles espacials que permeten dur a terme aquest tpus de missions necessiten coets de combustble químic per sortr de l'atmosfera terrestre però, un cop arriben a l'espai exterior, hi ha diverses possibilitats per propulsar el vehicle: motors químics, iònics, espelmes solars, etc. L'objectu del present treball fnal de màster s'enfoca a realitzar un estudi comparatu del comportament de quatre motors diferents de baixa empenta al realitzar missions interplanetàries: dues existents (SPT-140) i (HiPEP), un altre avantguardista (NEXT) i un quart futurista (VASIMR), cadascun amb diferents característques tècniques. Com a aplicació d'aquesta anàlisi comparatva s'estudia una missió interplanetària de transferència des de l'òrbita terrestre a l'asteroide Patroclus. Aquest asteroide és un cos celeste dels denominats troians de Júpiter, situat a les proximitats del punt de Lagrange L5 d’aquest planeta. L'interès a Patroclus és degut principalment al fet que durant molt de temps es va pensar que era un dels troians més grans de Júpiter, fns que es va descobrir que era un asteroide de tpus binari. Va ser el primer asteroide d'aquest tpus descobert entre els troians de Júpiter. Actualment es denomina Patroclus al major dels cossos del sistema binari i Moenius al més pett. A més de ser binari, la seva densitat sembla ser menor que la de l'aigua, cosa que fa pensar que els dos cossos tenen un origen més semblant al d'un estel que al d'un asteroide. Per totes aquestes raons, resultaria interessant dur a terme una missió de recerca a aquest asteroide binari, cosa que permetria obtenir més informació per indagar sobre l'origen d'aquests dos cossos celestes.