[论文解读] Project Icarus: Preliminary Thoughts on the Selection of Probes and Instruments for an Icarus-style Interstellar Mission

Ian Crawford|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2016

Astro and Planetary Science被引用 5

一句话总结

本文概述了类似 Icarus 的星际任务的科学有效载荷需求，提出为减速的科学仪器和探测器至少需要 100 吨的质量，当考虑结构和部署系统时，估算的总科学相关有效载荷质量约为 200 吨。基于 Daedalus 研究，强调推进系统和基础设施使科学探测器的干质量增加两倍。

ABSTRACT

In this paper we outline the range of probes and scientific instruments that will be required in order for Icarus to fulfill its scientific mission of exploring a nearby star, its attendant planetary system, and the intervening interstellar medium. Based on this preliminary analysis, we estimate that the minimum total Icarus scientific payload mass (i.e. the mass of probes and instruments which must be decelerated to rest in the target system to enable a meaningful programme of scientific investigation) will be in the region of 100 tonnes. Of this, approximately 10 tonnes would be allocated for cruise-phase science instruments, and about 35 tonnes (i.e. the average of estimated lower and upper limits of 28 and 41 tonnes) would be contributed by the intra-system science payload itself (i.e. the dry mass of the stellar and planetary probes and their instruments). The remaining ~55 tonnes is allocated for the sub-probe intra-system propulsion requirements (crudely estimated from current Solar System missions; detailed modelling of sub-probe propulsion systems will be needed to refine this figure). The overall mass contributed by the science payload to the total that must be decelerated from the interstellar cruise velocity will be considerably more than 100 tonnes, however, as allowance must be made for the payload structural and infrastructural elements required to support, deploy, and communicate with the science probes and instruments. Based on the earlier Daedalus study, we estimate another factor of two to allow for these components. Pending the outcome of more detailed studies, it therefore appears that an overall science-related payload mass of ~200 tonnes will be required. This paper is a submission of the Project Icarus Study Group.

研究动机与目标

• 确定在 Icarus 风格的星际任务中，科学探测器和仪器的最小质量需求。
• 评估为在目标恒星系统开展有意义的科学调查而必须减速的总有效载荷质量。
• 估算推进、结构和通信系统对整体科学有效载荷质量的贡献。
• 基于先前的研究（如 Daedalus）细化巡航阶段和行星系内科学仪器的质量分配。
• 为未来对子探测器推进和有效载荷部署系统的详细建模提供基础。

提出的方法

• 对用于邻近恒星系统及星际介质探索的科学仪器和探测器进行初步分析。
• 基于 28 吨和 41 吨的下限和上限，估算恒星和行星探测器及其仪器的干质量为 35 吨。
• 根据当前太阳系任务数据，为巡航阶段科学仪器分配 10 吨质量。
• 基于类似任务数据，估算子探测器行星系内推进系统质量为 55 吨。
• 根据 Daedalus 研究，对总科学有效载荷质量应用两倍的乘数，以涵盖结构、部署和通信基础设施。
• 整合所有组件，推算出约 200 吨的总科学相关有效载荷质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 Icarus 风格的任务中，为实现在目标恒星系统进行科学调查，必须减速的探测器和仪器的最小总质量是多少？
• RQ2 总有效载荷质量中，有多少部分归因于行星系内科学探测器及其仪器（不包括推进和基础设施）？
• RQ3 子探测器推进系统对总减速有效载荷质量的估算质量贡献是多少？
• RQ4 结构和基础设施要素（例如部署机构、通信系统）如何影响总科学有效载荷质量？
• RQ5 Daedalus 研究的发现在多大程度上为 Icarus 任务架构的质量扩展提供了依据？

主要发现

• 为开展有意义的科学调查而必须减速的探测器和仪器的最小总质量估算为 100 吨。
• 行星系内科学有效载荷（包括探测器及其仪器）的质量约为 35 吨，基于 28 吨和 41 吨的估计边界取平均值。
• 巡航阶段科学仪器预计需要 10 吨的质量。
• 子探测器行星系内推进系统质量估算为 55 吨，依据与当前内行星太阳系任务的类比。
• 在考虑结构和基础设施组件（如部署系统和通信系统）后，应用两倍的乘数，得出总估算科学相关有效载荷质量约为 200 吨。
• 本研究得出结论：需要对推进系统进行详细建模，以进一步优化 55 吨的推进质量估算。