Interplanetary Trajectories for Electrically-Propelled Space Vehicles

Abstract

Interplanetary Trajectories for Electrically-Propelled Space Vehicles. Determination of the space-mission capabilities of electric-propulsion systems requires study of the trajectories followed by space vehicles during powered flight in gravitational fields. In the present paper, solutions to the equations of motion for such flights are discussed. Both constant- and variable-thrust acceleration are considered, and methods of matching prescribed end-point conditions are described. Particular attention is given to the problem of interplanetary transfer, for which the mass ratios needed with various thrust programs are compared.

For round-trip interplanetary missions, it is shown that large reductions in the total mission time can be achieved by following indirect heliocentric paths. For the Earth-Mars mission, it is found that electrically propelled vehicles can achieve total trip times comparable to those attainable with high-thrust rockets, with weights that may be considerably less than those possible with nuclear rockets.

Zusammenfassung

Interplanetare Bahnen für elektrisch angetriebene Raumfahrzeuge. Die Ermittlung der Nutzlast von elektrisch angetriebenen Systemen erfordert zunächst die Bestimmung der Bahn des Fahrzeuges während der Antriebsperiode. In der vorliegenden Arbeit werden Lösungen der Bewegungsgleichungen für derartige Bahnen untersucht. Konstante und veränderliche Beschleunigung wird angenommen, und es werden Methoden beschrieben, um ein vorgegebenes Ziel zu erreichen.

Für interplanetare Fahrten kann die Gesamtzeit der Reise unter gewissen Umständen stark reduziert werden. Für die Erde-Mars-Fahrt zeigt sich, daß elektrisch angetriebene Fahrzeuge Reisezeiten in der Größenordnung der Reisezeit von Raketen mit hohem Schub erreichen können, wobei das Massenverhältnis wesentlich günstiger als bei Atomraketen ist.

Résumé

Trajectoires interplanétaires pour des véhicules spatiaux à propulsion électrique. La détermination des missions spatiales pouvant être accomplies par des fusées à propulsion électrique nécessite l’étude des trajectoires suivies par les véhicules spatiaux durant des vols propulsés à travers des champs de gravitation. Dans cet article, sont discutées les solutions de l’équation de mouvement correspondant à ces vols. Dans les deux cas, d’une accélération constante et d’une accélération variable, l’auteur fournit des méthodes pour obtenir les conditions prescrites à l’arrivée. Une attention particulière est portée au problème des transferts interplanétaires, pour lesquels on compare les rapports de masse nécessaires, en fonction des diverses poussées envisagées.

Pour des missions interplanétaires aller et retour, il est montré que de grandes réductions de temps peuvent être obtenues au moyen de trajectoires indirectes autour du soleil. Pour la mission Terre-Mars, l’auteur trouve qu’un engin à propulsion électrique peut faire le voyage complet dans un temps comparable à celui obtenu par une fusée à forte poussée, alors que le poids d’une fusée à propulsion électrique peut être considérablement moindre que celui d’une fusée nucléaire.