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外太阳系正在等待 - 但到达那里可能并不像我们想的那么容易

2021

距离新的十年只有一年多的时间了,随之而来的是一系列全新的美国宇航局任务创意,其中一些近乎像火星一样,而其他一些远近。 非常远。 事实上,有些人希望机器人旅行到世界不仅仅是数百万,而是数十亿英里之外。 这包括天王星和海王星(我们分别在1986年和1989年访问过的行星)和数百个冰冷的尸体,就在被称为柯伊伯带的地区之外。

柯伊伯带是冥王星和其他数千个不同大小的世界的家园。 那里的大多数尸体都是用我们太阳系的构建块制成的,早在封锁到遥远的冷藏室之后。 参观柯伊伯带可以解开关于我们的星球及其邻居如何形成的线索,为什么水在这里如此丰富,以及其他谜团。

天王星和海王星本身也很神秘。 随着我们对其他行星系统的了解越来越多,我们已经看到大多数世界并不像木星那样大或像地球一样小 - 其中大部分往往大约相当于天王星和海王星,“冰巨人”所以 - 被称为存在于云层深处的异国水冰状态。 探索天王星和海王星不仅可以帮助我们了解太阳系的行星 - 它还可以帮助我们理解绕着附近外星飞行的轨道。

但其中许多任务都是时间依赖的。 美国宇航局即将进行的十年调查 - 该机构将为我们在20世纪20年代和2030年代发送航天器的基调定下基调 - 可以决定这些遥远的勘探方案。

从2020年开始,来自国家科学院的一个小组(由太空界的几个利益相关者组成)将聚集在一起,创建一个勘探优先目标清单。 科学家们通过撰写被称为“白皮书”的建议将他们的帽子扔进戒指。

在这些建议中,就最优先目标应该是什么达成了普遍共识。 这些目标是中级新边境任务的提案指南(新视野和木星的朱诺探测都属于这一类)。 美国国家航空航天局首先发出任务提案的呼吁,然后将这些提议逐渐缩小到一两个决赛选手。 一旦决赛入围者获得批准,其背后的团队最终可以开始规划和建设 - 这通常需要数年时间。

这可能会让你很难及时准备好探索天王星或海王星所需的实际窗户,同时还要击中柯伊伯带天体。 这就是时机如此冒险的原因。

特别是一组人正在建立双天王星/海王星任务的案例。 他们最近的迭代涉及天王星的飞越和海王星的轨道飞行器。 由马克霍夫施塔特和艾米西蒙领导,目标是窥探天王星的另一面,而不是旅行者2在1986年看到的,并研究海王星及其最大的卫星海卫一。 Triton向后运动,这可能是因为它曾经是最大的柯伊伯带天体,在海王星将Triton拉入其中之前,迫使这个星球的许多原始卫星离开。

西蒙表示,任务需要在15年的生命周期内完成,包括在途时间和探索。 这是由于零件可以在相对确定的空间中持续多长时间。 虽然航天器可以并且确实比它们的保质期更长,但是15年是确保任务能够以大致全功率实现其科学目标的最低要求。 但是,如何避免过度进入实际探索阶段? 加速航天器的一种方法是利用行星的引力来提高速度。

西蒙说,通常情况下,你需要行星飞行器在不到12年的时间里到达那里,我们通常会包括地球和维纳斯飞行器。 在这些场景中,您可以深入到行星的重力井中,希望能够在使用最少量燃料的同时进一步加速您的飞行。 最好的情况也使用木星,因为它是最大的,可以真正加速航天器

例如,New Horizo​​ns使用木星辅助来拉链到冥王星。 卡西尼在从地球发射后使用四个单独的飞行加速到土星,从金星两次获得提升,再次向地球摆动以获得更快的速度,然后从木星最后摆动。

西蒙说,要有足够的时间到达天王星,你可以使用土星飞越,这将在2024年到2028年之间发生,以便在其29年的轨道上捕获位于正确位置的天然气巨头。 这需要美国航空航天局标准的一些非常快速的思考,通常会在发布之前进行十年的规划,尽管其中一些(其中包括新视野)已经从规划到建设再到五年内发布 - 所以我们 probablyd可能是针对下一个窗口,一个在2029年到2032年之间的木星飞越,这也将为海王星的任务提供一个主要的弹弓。 接下来的机会不会超过十年。

西蒙拉说,天王星的任务可以使用传统的燃料和车辆快速进入那些弹弓 - 根据阿特拉斯V型火箭或Delta IV重型火箭。 但是因为海王星离得太远而且确切的轨迹并不像理想的那样排成一线,对这个星球的任务将更多地依赖于太空发射系统,即美国宇航局的下一代重型升力火箭(它还没有看到飞行)。 如果没有及时准备好,我们将不得不依赖于不同的下一代技术:太阳能电力推进,它利用太阳能点燃电离气体来加速车辆。 到目前为止,它仅用于Vesta和Ceres的Dawn太空船,以及两个小型小行星任务。

“即使在太阳能电池的情况下,你仍然需要化学发动机,因为当太阳能不再足够时,也会制动并进入轨道,”西蒙说。

所以时间有点紧张。 但是如果我们足够快地执行它们,这两个任务都可以用于另一个目的:进入未开发的柯伊伯带世界。

另一篇由New Horizo​​ns团队的三名成员领导的论文,探讨了他们成功跋涉到冥王星后回到柯伊伯带的可能性。 “我们看到它有多么有趣,我们想知道那里还有什么东西说西南研究所(SWRI)的首席工程师,该论文的共同作者Tiffany Finley将发表在”航天器杂志“上和火箭队

柯伊伯带包含太阳系形成的冰冷残骸,其中的物体由一系列令人眼花缭乱的不同材料制成。 例如,冥王星比Eris(以将其前星球从其状态上取下而闻名)更小。 但冥王星大部分都是用冰块制成的,所以它的质量要小得多。 厄里斯有很大比例的岩石,使其更加密集​​。 有些世界似乎有很多甲烷,而其他世界有很多氨。 这有点像矮人行星的车库出售,我们早期历史中的小块和小玩意是了解我们的行星是如何形成的关键 - 以及其他行星系统如何与我们自己的相似或不同。

该团队使用了狭窄的限制:他们为任务提供了25年的保质期,并调查了45个最亮的柯伊伯带天体,将它们与各种行星飞行场景进行了比较。 毫不奇怪,木星打开了名单上的大部分目标。 但木星窗口每12年出现一次,使其仍然依赖于时间。 简单的土星飞行也是一个非常好的柯伊伯带目标列表。

但是当你将这些世界与天王星或海王星配对时,你就有机会一举发现关于我们神秘的最外层行星和一些相当理想的外部矮行星的新事物。

进入这些世界需要弹弓效果,首先来自木星然后来自另一个星球。 这些行星中的每一个都在20世纪30年代的狭窄窗口中与木星对齐,并巧妙地分成了那个十年的某些部分。 例如,要进入海王星之路的世界列表,你需要在20世纪30年代初到达木星,而通过天王星到达柯伊伯带需要20世纪30年代中期的时间框架。 20世纪30年代后期,木星和土星恰好在弹射到柯伊伯带上。

目标列表创造了诱人的机会。 Varuna是一个由快速旋转速度拉长的椭圆形世界,是木星 - 天王星飞越的完美目的地。 如上所述,海王星为厄里斯带来了机会。 木星 - 土星任务可以访问塞德纳,这是一个遥远的矮行星,其轨道可能指向未被发现的第十颗行星。 木星 - 土星可以处理最令人兴奋的矮行星之一的进站:Haumea。

与Varuna一样,Haumea比大多数大型柯伊伯带矮行星更像卵形或椭圆形,这些行星往往是圆形的。 但是Haumea可能就是这样,因为古老的碰撞给它带来了两个卫星,一个环形系统和一条拖着后面的碎片。 当小行星看起来都具有相同的成分时,它们被称为“碰撞族”.Haumea生产了柯伊伯带中唯一已知的碰撞族。

Zangari说:“Haumea是最酷的人。” “每个人都想去Haumea。”

但是,无论我们最终走到哪里,它可能只是有限的时间。 因此,如果我们想要看到Haumea的戒指,甚至是Sedn​​a的红色外星色调,那么这项工作很快就要开始了。 那些世界,我们太阳系的构建块,是如此之小,以至于只有一种方法可以深入了解它们:我们需要真正去那里。

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