¿Por qué naves de exploración como la Voyager 1 y 2 atraviesan el cinturón de asteroides, y no por encima ni por debajo de él?
Entiendo que el riesgo de chocar contra un asteroide es pequeño, pero me pregunto si hay alguna razón por la que las naves espaciales suelen permanecer en el plano orbital principal del Sistema Solar .
Respuestas
Primero, el espacio es absolutamente gigantesco; la posibilidad de que cualquiera de las Voyager, o cualquier otra misión del planeta exterior, chocara contra un asteroide era infinitesimal.
En segundo lugar, el cinturón de asteroides en sí no está realmente limitado al plano de la eclíptica; muchos asteroides tienen inclinaciones significativas, por lo que mantenerse fuera de la eclíptica no garantizaría la seguridad.
En tercer lugar, incorporar un cambio de inclinación significativo en la trayectoria de salida de la Tierra habría requerido mucho rendimiento adicional; No sé cuánta inclinación se podría haber logrado dado el rendimiento máximo del lanzador y la masa de la nave espacial Voyager, pero no creo que hubiera mucho margen de rendimiento disponible.
Finalmente, las trayectorias de los sobrevuelos de Júpiter de las Voyager se vieron fuertemente restringidas por la necesidad de usar la gravedad de Júpiter para lanzarse hacia Saturno. Es posible incorporar un cambio de inclinación en una maniobra de asistencia por gravedad (cambiando de la pierna inclinada de la Tierra a Júpiter de la pierna en la eclíptica de Júpiter a Saturno), pero hacerlo podría haber entrado en conflicto con otros parámetros de la misión.
Una trayectoria kepleriana en el sistema solar esencialmente debe estar en un plano definido por tres puntos: la ubicación del Sol, la ubicación desde la que parte y el punto en el que estará su objetivo cuando llegue su nave espacial. Dado que los planetas están cerca de la eclíptica, este plano generalmente estará cerca de la eclíptica para una misión interplanetaria.
Entonces considere que el combustible es precioso y que cambiar de avión con empuje requiere mucho combustible. La única forma práctica de sacar una nave espacial sustancialmente del plano de la eclíptica es una ayuda gravitatoria de un planeta gigante .
Por tanto, en la práctica, las únicas trayectorias interplanetarias utilizables son las cercanas a la eclíptica.
El cinturón de asteroides es toroidal, los asteroides no se limitan al plano de la eclíptica. Este diagrama de Wikipedia muestra que la mayoría de los asteroides tienen inclinaciones orbitales inferiores a 10 °, pero todavía hay números significativos de hasta 20 ° más o menos.
Este gráfico de inclinación orbital ($i_p$) versus excentricidad ($e_p$) para los asteroides numerados del cinturón principal muestra claramente agrupaciones que representan familias de asteroides.
También de ese artículo,
La distribución orbital de los asteroides alcanza un máximo con una excentricidad de alrededor de 0,07 y una inclinación por debajo de 4 °. Por lo tanto, aunque un asteroide típico tiene una órbita relativamente circular y se encuentra cerca del plano de la eclíptica, algunas órbitas de asteroides pueden ser muy excéntricas o viajar fuera del plano de la eclíptica.
Como muestra el siguiente diagrama, el radio orbital medio para la mayoría de los asteroides del cinturón principal se encuentra entre 2,1 AU y 3,25 AU.
Para ir por encima (o por debajo) del cinturón, la órbita de su nave espacial debe tener una inclinación de al menos 10 °. Pero 10 ° a 3 AU lo coloca aproximadamente a 0.52 AU o casi 78 millones de km por encima de la eclíptica, lo que es un desvío bastante significativo, especialmente si su destino previsto está cerca del plano de la eclíptica. Tal desvío representa una cantidad considerable de energía orbital y, por lo tanto, un consumo de combustible.
Sin embargo, como ya se mencionó en otras respuestas, tal desvío es bastante innecesario. El cinturón de asteroides es escaso. Como dice Wikipedia,
Los asteroides están repartidos en un volumen tan grande que sería improbable llegar a un asteroide sin apuntar con cuidado.
Una estimación típica de la distancia media entre asteroides es de alrededor de 1.000.000 km (2,6 veces la distancia entre la Tierra y la Luna), pero eso es para asteroides de 1 km de diámetro o más. Probablemente hay estimaciones para cuerpos más pequeños, pero no son fáciles de encontrar, aunque probablemente haya información útil en los artículos vinculados a ¿Cuál es la distancia promedio entre objetos en nuestro cinturón de asteroides?
No son regiones en el cinturón de asteroides con mayores que las concentraciones promedio de partículas y polvo. Probablemente sea una buena idea evitarlos, si es práctico, pero no representan un peligro importante para las naves espaciales típicas. Según el veterano cazador de asteroides Tom Gehrels de la Universidad de Arizona, en este artículo de Scientific American de 1997,
De alguna manera, el cinturón de asteroides está más vacío de lo que nos gustaría. A principios de la década de 1990, la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio quería que la nave espacial Galileo encontrara un asteroide mientras atravesaba el cinturón de asteroides en su camino hacia Júpiter. Pero fue necesario un poco de esfuerzo para encontrar un objeto que estuviera ubicado incluso aproximadamente a lo largo del camino de Galileo. Se requirió una orientación especial para alcanzar este objeto, pero el resultado fue la primera vista de cerca de un asteroide, el llamado Gaspra.
La cantidad de objetos en el cinturón de asteroides aumenta abruptamente con la disminución de tamaño, pero incluso en tamaños micrométricos, la nave espacial Pioneer fue golpeada solo unas pocas veces durante su paso.