Warum gehen Erkundungsraumfahrzeuge wie Voyager 1 und 2 durch den Asteroidengürtel und nicht darüber oder darunter?
Ich verstehe, dass das Risiko, einen Asteroiden zu treffen, gering ist, aber ich frage mich, ob es einen Grund gibt, warum Raumschiffe normalerweise auf der Hauptorbitalebene des Sonnensystems bleiben .
Antworten
Erstens ist der Weltraum absolut gigantisch; Die Chance, dass einer der Voyager oder eine andere Mission außerhalb des Planeten einen Asteroiden traf, war unendlich gering.
Zweitens ist der Asteroidengürtel selbst nicht wirklich auf die Ekliptikebene beschränkt. Viele Asteroiden haben erhebliche Neigungen, so dass ein Ausschluss aus der Ekliptik keine Sicherheit garantiert.
Drittens hätte die Einbeziehung einer signifikanten Neigungsänderung in die Abflugbahn der Erde viel zusätzliche Leistung erfordert. Ich weiß nicht genau, wie viel Neigung angesichts der maximalen Leistung des Trägers und der Masse des Voyager-Raumfahrzeugs hätte erreicht werden können, aber ich glaube nicht, dass sehr viel Leistungsspielraum zur Verfügung stand.
Schließlich wurden die Flugbahnen der Jupiter-Vorbeiflüge der Voyager stark durch die Notwendigkeit eingeschränkt, Jupiters Schwerkraft zu nutzen, um auf den Saturn zu schleudern. Es ist möglich, eine Neigungsänderung in ein Manöver zur Unterstützung der Schwerkraft einzubeziehen (Wechsel vom geneigten Erd- zum Jupiter-Bein vom nicht-ekliptischen Jupiter-zum-Saturn-Bein), dies könnte jedoch mit anderen Missionsparametern in Konflikt geraten sein.
Eine Kepler-Flugbahn im Sonnensystem muss sich im Wesentlichen in einer Ebene befinden, die durch drei Punkte definiert ist: den Standort der Sonne, den Standort, von dem aus Sie starten, und den Punkt, an dem sich Ihr Ziel befindet, wenn Ihr Raumschiff ankommt. Da sich Planeten in der Nähe der Ekliptik befinden, befindet sich diese Ebene für eine interplanetare Mission normalerweise in der Nähe der Ekliptik.
Bedenken Sie dann, dass Treibstoff kostbar ist und das Wechseln von Flugzeugen mithilfe von Schub viel Treibstoff erfordert. Der einzige praktische Weg, um ein Raumschiff wesentlich aus der Ekliptikebene herauszuholen, ist eine Schwerkraftunterstützung von einem riesigen Planeten .
In der Praxis liegen die einzigen verwendbaren interplanetaren Trajektorien nahe an der Ekliptik.
Der Asteroidengürtel ist toroidal, die Asteroiden sind nicht auf die Ekliptikebene beschränkt. Dieses Diagramm aus Wikipedia zeigt, dass die meisten Asteroiden Umlaufbahnneigungen unter 10 ° haben, aber es gibt immer noch signifikante Zahlen bis etwa 20 °.
Diese Darstellung der Orbitalneigung ($i_p$) gegen Exzentrizität ($e_p$) zeigt für den nummerierten Hauptgürtel Asteroiden deutlich Verklumpungen, die Asteroidenfamilien darstellen.
Auch aus diesem Artikel,
Die Orbitalverteilung der Asteroiden erreicht ein Maximum bei einer Exzentrizität von etwa 0,07 und einer Neigung unter 4 °. Obwohl ein typischer Asteroid eine relativ kreisförmige Umlaufbahn hat und nahe der Ebene der Ekliptik liegt, können einige Asteroidenbahnen stark exzentrisch sein oder sich weit außerhalb der Ekliptikebene bewegen.
Wie das folgende Diagramm zeigt, liegt der mittlere Umlaufradius für die meisten Hauptgürtel-Asteroiden zwischen 2,1 AU und 3,25 AU.
Um über (oder unter) den Gürtel zu gelangen, muss die Umlaufbahn Ihres Raumfahrzeugs eine Neigung von mindestens 10 ° haben. Bei 10 ° bei 3 AU befinden Sie sich jedoch etwa 0,52 AU oder fast 78 Millionen km über der Ekliptik. Dies ist ein ziemlich bedeutender Umweg, insbesondere wenn sich Ihr beabsichtigtes Ziel in der Nähe der Ekliptikebene befindet. Ein solcher Umweg repräsentiert eine beträchtliche Menge an Orbitalenergie und damit Kraftstoffverbrauch.
Wie bereits in anderen Antworten erwähnt, ist ein solcher Umweg jedoch nicht erforderlich. Der Asteroidengürtel ist spärlich. Wie Wikipedia sagt,
Die Asteroiden sind über ein so großes Volumen verteilt, dass es unwahrscheinlich wäre, einen Asteroiden zu erreichen, ohne vorsichtig zu zielen.
Eine typische Schätzung der mittleren Entfernung zwischen Asteroiden liegt bei etwa 1.000.000 km (2,6 × die Entfernung zwischen Erde und Mond), dies gilt jedoch für Asteroiden mit einem Durchmesser von 1 km und mehr. Es gibt wahrscheinlich Schätzungen für kleinere Körper, aber sie sind nicht leicht zu finden, obwohl es wahrscheinlich nützliche Informationen in den Artikeln gibt, die unter Wie groß ist der durchschnittliche Abstand zwischen Objekten in unserem Asteroidengürtel?
Es gibt Regionen im Asteroidengürtel mit höheren Konzentrationen als Sand und Staub. Es ist wahrscheinlich eine gute Idee, sie zu vermeiden, wenn sie praktisch sind, aber sie stellen keine große Gefahr für typische Raumfahrzeuge dar. Laut dem erfahrenen Asteroidenjäger Tom Gehrels von der University of Arizona wurde in diesem Artikel von Scientific American aus dem Jahr 1997
In gewisser Weise ist der Asteroidengürtel tatsächlich leerer als wir vielleicht möchten. In den frühen neunziger Jahren wollte die Nationale Luft- und Raumfahrtbehörde, dass das Galileo-Raumschiff auf dem Weg zum Jupiter durch einen Asteroidengürtel auf einen Asteroiden trifft. Es bedurfte jedoch einiger Anstrengungen, um ein Objekt zu finden, das sich sogar ungefähr auf Galileos Weg befand. Um dieses Objekt zu erreichen, war ein spezielles Ziel erforderlich. Das Ergebnis war jedoch die erste Nahaufnahme eines Asteroiden namens Gaspra.
Die Anzahl der Objekte im Asteroidengürtel nimmt mit abnehmender Größe stark zu, aber selbst bei Mikrometergrößen wurden die Pioneer-Raumschiffe während ihres Durchgangs nur wenige Male getroffen.