Idea (7. ChatGPT - misja cargo): "US Space Orbiter Transporter Cargo"

Technologie, Nauka

Kotwica czasu

W idei profuturo: ustawy Senatu US o wspieraniu rozwoju narodowych kompetencji kosmicznych poprzez realizację budowy międzyorbitalnych "Ziemia - Księżyc" kosmolotów transportowych cargo z napędem jonowym oraz projektów misji bezzałogowych eksportu maszyn i robotów na Księżyc wraz z metodą zdalnej koordynacji ich pracy na nim w ramach amerykańskiego systemu telemechaniki i telepracy kosmicznej, finansowanych metodą funduszy społecznościowych (crowdfunding).

Notka, podobnie jak poprzednia, ułożona jest w oparciu o rakietę Falcon 9 i możliwości zamówienia dostaw na orbitę LEO środków technicznych o masie 20 ton.

W tej idei, w poprzednich notkach, za pomocą rakiety Falcon 9 zbudowany jest na orbicie LEO (wokołoziemska), do transportu cargo pojazd kosmiczny mający trzy układy napędu jonowego (każdy układ składający się z 5 silników jonowych NEXT) oraz panele PV o powierzchni 750 m². Do wahadłowca międzyorbitalnego, przemieszczającego się pomiędzy orbitami "LEO-LLO", kosmolotu towarowego cargo, dostarczony jest ładunek wraz lądownikiem księżycowym i umieszczony z przodu kosmolotu. Podobnie jak w misji wyprawy na Księżyc astronautów amerykańskich (link).

Amerykańscy astronauci przebywając najpierw na orbicie LLO  za pomocą odrębnego pojazdu wylądowali na Księżycu, następnie powrócili na orbitę LLO. Zatem istnieje możliwość, aby od kosmolotu towarowego cargo oddzielił się układ "kontenera" wraz z księżycowym lądownikiem, a następnie po pozostawieniu kontenera na powierzchni Księżyca, lądownik powrócił do kosmolotu na orbicie LLO.

Stąd w idei domen crowdfunding US znana byłoby metodą budowy obiektu kosmicznego na orbicie LEO (ISS) oraz metoda oddzielenia się pojazdów na orbicie LLO, z których jeden ląduje na powierzchni Księżyca, a następnie powrót pojazdu z powierzchni Księżyca i łączenie się pojazdem na LLO.

Główne zagadnienie w tej idei, opisane w poprzedniej notce, to: Czy jest możliwe zastosowanie kilku silników jonowych NEXT w tandemie, np. napęd jonowy złożony z 5 silników NEXT, ułożonych "krzyżowo", tj. jeden w środku i cztery wokoło niego, aby taki układ napędowy stanowił jeden zintegrowany, oddzielny moduł dostarczony za pomocą rakiety Falcon 9 do budowy kosmolotu?

*

W idei dostawy cargo "masy towarowej" (ładunek o masie 20 ton) wirtualna misja powiodła się w oparciu o obliczenia ChatGPT, wygenerowane na podstawie pytań i zadań. Natomiast w idei łącznego czasu trwania misji, tj. czas lotu z LEO na LLO, oraz czas lotu LLO na LEO, wyprawa towarowa nie powiodła się z powodu długości trwania okresu całej wyprawy ~6 lat. Po ponownych przeliczeniach ChatGPT nie dokańczał opisu i zatrzymywał się. Jednak wynik ostatnich obliczeń (zamieszczony poniżej): "Zatem cała misja, wliczając powrót, potrwa około 274 dni (137 dni w każdą stronę). Czas misji związany jest z wyborem trajektorii.

1. ChatGPT:

Zadanie: Transporter towarowy cargo, jako pojazd kosmiczny, bezzałogowy z napędem jonowym, wyposażony jest w 15 silników jonowych NEXT, panele PV o powierzchni 750 metrów kwadratowych, których sprawność wynosi 20% oraz na orbicie LEO ma masę 120 ton i rusza na orbitę LLO. Po dotarciu na orbitę LLO oddziela się od niego 40 ton i przemieszcza się z powrotem na orbitę LEO. 1. Oblicza masę i objętość ciekłego ksenonu zużytego w czasie misji. 2. Oblicz jak długo będzie trwała cała misją?

// Na orbicie LLO (wokołoksiężycowa) oddzielają się środki techniczne o łącznej masie 60 ton (20 ton masa ładunku, 20 ton masa lądownika, 20 ton masa paliwa chemicznego do napędu lądownika; w idei poglądowej kontener pozostaje na Księżycu, jeżeli ładunek nie jest w całości jednym urządzeniem; do kosmolotu powraca lądownik. Zatem kosmolot w drodze powrotnej ma masę 80 ton, traci 40 ton w masie ładunku i lądownika.
Korekta: ChatGPT używa równania rakietowego Ciołkowskiego.
Odp:
- 11 ton masa ksenonu zużyta na trasie LEO → LLO;
- 7, 34 tony, masa ksenonu zużyta na trasie LLO → LEO?
m_ksenon = m_LLO - m_LEO =  80.000 - 80.000/1.101 = 80.00 - 72661 = 7.339 kg = 7,34 tony
Całkowita masa użytego ksenonu: 11 ton + 7,34 tony = 18,34 tony (< niż 20 ton). 

Zatem całkowita zmiana masy od początku do końca misji wynosiłaby ~40 ton, w tym 20 ton masa ładunku pozostawiona na Księżycu i ~20 ton masa paliwa chemicznego towarowego lądownika księżycowego. Ponadto masa kontenera, jeżeli ładunek nie jest jednym urządzeniem.

ChatGPT w innych obliczeniach liczył osobno ruch LEO→LLO i LLO→LEO, przyjmując w obu przypadkach delta-v 4,2 km/s. 

- czas trwa całej misji 274 dni //

Odpowiedź :
Aby obliczyć masę i objętość ciekłego ksenonu zużytego przez silniki jonowe NEXT oraz czas trwania całej misji kosmicznej z orbity LEO (Low Earth Orbit) na LLO (Low Lunar Orbit) i z powrotem, musimy wykonać kilka kroków.

Zatem cała misja, wliczając powrót, potrwa około 274 dni (137 dni w każdą stronę).

*
2. ChatGPT:

Pytanie: Jak będzie zmieniać się moc paneli PV pojazdu kosmicznego od orbity LEO do LLO?

Odpowiedź: Moc generowana przez panele fotowoltaiczne będzie zmieniać się w zależności od odległości od Słońca i ilości promieniowania słonecznego docierającego do paneli. Na trasie od orbity LEO (Low Earth Orbit) do LLO (Low Lunar Orbit), zmiany w mocy wynikają głównie z dwóch czynników: odległości od Ziemi oraz zacienienia przez Ziemię lub Księżyc.

Główne czynniki wpływające na zmianę mocy paneli PV:

1. Odległość od Ziemi a promieniowanie słoneczne:

• W pobliżu Ziemi (na orbicie LEO), panele kosmiczne otrzymują średnie promieniowanie słoneczne wynoszące około 1361 W/m². To jest standardowa wartość dla odległości Ziemi od Słońca.
• Kiedy pojazd przemieszcza się na orbitę LLO, odległość od Słońca praktycznie nie zmienia się w sposób istotny dla poziomu promieniowania słonecznego, ponieważ orbita Księżyca wokół Ziemi ma promień około 384 000 km, co stanowi zaledwie 0,0026 jednostki astronomicznej (AU). Zatem zmiana odległości od Słońca jest niewielka i można ją zaniedbać.

W kontekście promieniowania słonecznego, różnica między LEO a LLO jest zatem minimalna, co oznacza, że moc paneli PV z tego powodu nie zmieni się znacząco.

2. Zacienienie (okresy przebywania w cieniu Ziemi lub Księżyca):

• Na orbicie LEO, pojazd okresowo przechodzi przez cień Ziemi, co zmniejsza ilość promieniowania słonecznego docierającego do paneli. W trakcie przebywania w cieniu, moc paneli spada niemal do zera.
• W drodze na orbitę LLO, pojazd będzie również mijał strefy zacienienia przez Ziemię oraz, w mniejszym stopniu, przez Księżyc. Na samej orbicie LLO również będzie doświadczał okresów zacienienia przez Księżyc. Jednak Księżyc jest mniejszy niż Ziemia, więc strefy zacienienia są krótsze.
• Czas przebywania w cieniu na orbicie LEO może wynosić do 40% czasu orbitalnego, ale na orbicie LLO czas przebywania w cieniu zależy od trajektorii orbity i może być mniejszy.

Wpływ w skali misji:

• Na LEO: Pojazd otrzymuje pełne promieniowanie słoneczne przez około 60% czasu orbitalnego.
• W trakcie misji (LEO -> LLO): W trakcie lotu między orbitami, pojazd będzie poruszał się głównie w przestrzeni między Ziemią a Księżycem, gdzie promieniowanie słoneczne będzie w większości stabilne, ale okresy zacienienia przez Ziemię mogą występować przy zbliżeniu do niej (wyjście z orbity LEO) i wejściu na orbitę LLO.
• Na LLO: Promieniowanie słoneczne będzie praktycznie takie samo jak na LEO, ale strefy zacienienia przez Księżyc będą krótsze niż na LEO.

Podsumowanie zmian mocy paneli PV:

1. Promieniowanie słoneczne: Zmiany w odległości od Słońca są na tyle małe, że można je pominąć. Moc paneli PV na LLO będzie podobna do tej na LEO, w warunkach bez zacienienia.
2. Zacienienie: Na LEO, panele mogą być w cieniu Ziemi do 40% czasu orbitalnego. Na LLO zacienienie przez Księżyc będzie występować, ale przez krótsze okresy.

Wnioski:
Moc generowana przez panele PV nie zmieni się znacząco na trasie z LEO do LLO z powodu stałego poziomu promieniowania słonecznego. Jednak w czasie przebywania w cieniu Ziemi lub Księżyca moc paneli spadnie do zera. Na LLO czas przebywania w cieniu będzie krótszy niż na LEO.

*
3. ChatGPT:

Pytanie: Jak amerykańscy astronauci z LLO wylądowali na Księżycu i powrócili na LLO? Jaki pojazd, co odłączyło się od modułu dowodzenia oraz do niego powróciło? Jakim pojazdem połączyli się na LLO z modułem dowodzenia? Co się stało z lądownikiem, który posłużył do wylądowania na Księżycu?

Odpowiedź: Amerykańscy astronauci lądowali na Księżycu i wracali na jego orbitę w ramach misji programu Apollo, wykorzystując zestaw pojazdów kosmicznych, który obejmował Moduł Dowodzenia (Command Module, CM), Moduł Serwisowy (Service Module, SM) oraz Moduł Księżycowy (Lunar Module, LM).

Przebieg lądowania i powrotu:

1. Po wejściu na orbitę Księżyca (Lunar Orbit), astronauci znajdowali się w pojeździe składającym się z Modułu Dowodzenia i Serwisowego (CM/SM) oraz Modułu Księżycowego (LM), który był przymocowany do tego zestawu.

2. Lądowanie na Księżycu:

• Dwoje astronautów przechodziło z Modułu Dowodzenia do Modułu Księżycowego (LM).
• Moduł Księżycowy składał się z dwóch części: stopnia zniżania (descent stage) i stopnia wznoszenia (ascent stage).
• Stopień zniżania miał silniki, które umożliwiały bezpieczne lądowanie na powierzchni Księżyca.
• Po lądowaniu astronauci przeprowadzali misje badawcze na powierzchni Księżyca, poruszając się pieszo lub pojazdami (w późniejszych misjach, takich jak Apollo 15-17, korzystano z Łazika Księżycowego – Lunar Rover Vehicle, LRV).

3. Powrót na orbitę Księżyca:

• Po zakończeniu misji na powierzchni, astronauci wznosili się z Księżyca, korzystając ze stopnia wznoszenia Modułu Księżycowego (ascent stage), który odpalał swoje silniki, pozostawiając stopień zniżania na powierzchni Księżyca.
• Stopień wznoszenia łączył się z Modułem Dowodzenia i Serwisowym (CM/SM), który krążył po orbicie Księżyca, pilotowany przez trzeciego astronautę.

4. Powrót na Ziemię:

• Po połączeniu na orbicie, astronauci przenosili się z Modułu Księżycowego z powrotem do Modułu Dowodzenia.
• Moduł Księżycowy (ascent stage) był wtedy odrzucany i pozostawiany na orbicie Księżyca lub w przestrzeni kosmicznej.
• Astronauci wracali na Ziemię w Modułach Dowodzenia i Serwisowym. Tuż przed wejściem w atmosferę Ziemi, Moduł Serwisowy był odrzucany, a astronauci lądowali w kapsule Modułu Dowodzenia, która była wyposażona w spadochrony umożliwiające bezpieczne wodowanie na oceanie.

Tak więc, Moduł Księżycowy (Lunar Module) odłączał się od Modułu Dowodzenia na orbicie Księżyca, lądował na Księżycu, a jego stopień wznoszenia wracał na orbitę i łączył się z Modułem Dowodzenia. Moduł Księżycowy był ostatecznie porzucany, a astronauci wracali na Ziemię w Moduł Dowodzenia (CM).