Disseny d’una sonda espacial per propulsió iònica per un viatge interestel·lar

Abstract

L’objectiu principal d’aquest treball és dissenyar una sonda espacial per ser utilitzada en un viatge interestel·lar. El treball es desenvolupa primàriament, fent un estudi de l’estat de l’art dels principals mètodes de propulsió utilitzats actualment i aquells que són teòrics. A partir d’aquí, aquests són analitzats i es decideix que el mètode amb millor viabilitat, per ser utilitzat en un viatge interestel·lar, és el motor iònic. Posteriorment, es realitza un altre estat de l’art i anàlisi d’alguns dels motors iònics utilitzats en missions espacials i dels que en un futur podrien ser utilitzats. Dintre d’aquest estudi, es decideix que el millor motor, per les característiques que aporta respecte als altres, és el motor X3. Per altra banda, es determina que el destí principal del viatge interestel·lar de la sonda és el planeta Pròxima b, que orbita a l’estrella Pròxima Centauri, la més propera al Sol. A partir d’aquí, es determinen els principals aspectes a tenir en compte i els components necessaris que hauria de portar la sonda per tal que aquesta funcionés correctament durant tot el trajecte, així com el combustible a utilitzar o el tipus de cèl·lula fotovoltaica més eficient per produir la major font d’electricitat. Finalment, el disseny desenvolupat de la sonda, és propulsada per tres motors iònics X3 amb 500 kilograms de combustible de gas xenó, on dos ales solars de 10,2 metres de longitud i 1,66 metres d’amplada cada una, aporten l’electricitat necessària, junt amb bateries, per fer funcionar la sonda. El conjunt total del disseny de la sonda suma una massa total de 1496,8 kg amb unes dimensions de 21,67 metres de longitud amb els panells solars desplegats i una alçada màxima de 1,77 metres. Per concloure el treball, s’ha calculat que la sonda propulsada per motors iònics, obtindria una velocitat màxima d’uns 69923 km/h i que tardaria més de 65302 anys en completar el viatge interestel·lar fins la Pròxima b i que prèviament abandonaria el Sistema Solar en uns 30 anys. Els càlculs del moviment de la sonda realitzats són aproximats i no s’ha tingut en compte la influència gravitatòria dels planetes del Sistema Solar. Requereixen un anàlisi més profund de mecànica orbital.

The main objective of this work is to design of a spacecraft to be used in interstellar travel. The work is primarily developed, making a study of the state of the art of the main propulsion methods currently used and theorists. From then, these are analyzed and it’s decided that the best viable method, to be used in interstellar travel, is the ion engine. Subsequently, it’s performed another state of the art and analysis of some of the ionic engines used in space missions and of those that could be used in the future. Within this study, it’s decided that the best characteristics it provides with respect to the others, is the X3 engine. On the other hand, it’s determined that the main destination of the spacecraft’s interstellar travel is the planet Proxima b, which orbits the star Proxima Centauri, the closest to the Sun. From then, it’s determined the main aspects to be taken into account and the necessary components that the spacecraft should carry in order for this to work properly throughout the travel, as well as the fuel to be used or the most efficient type of photovoltaic cell to produce the largest source of electricity. Finally, the developed design of the spacecraft, is propelled by three X3 ion engines with 500 kilograms of xenon gas fuel, where two solar wings of 10,2 meters long and 1,66 meters wide each, provide the necessary electricity, along with batteries, to operate the spacecraft. The total ensemble of the design of the spacecraft equals a total mass of 1496,8 kg with a dimensions of 21,67 meters in length with the solar panels deployed and a maximum height of 1,77 meters. To conclude the work, it has been calculated that the spacecraft powered by ion engines, would get a maximum speed of about 69923 km/h and would take more than 65302 years to complete the interstellar travel to Proxima b and would previously leave the Solar System in about 30 years. The calculations of the motion of the spacecraft performed are approximate and the gravitational influence of the planets of the Solar System has not been taken into account. They require a deeper analysis of orbital mechanics.