Pourquoi les vaisseaux spatiaux d'exploration comme Voyager 1 et 2 traversent-ils la ceinture d'astéroïdes, et non au-dessus ou en dessous?
Je comprends que le risque de heurter un astéroïde est faible, mais je me demande s'il y a une raison pour laquelle les vaisseaux spatiaux restent généralement sur le plan orbital principal du système solaire .
Réponses
Premièrement, l'espace est absolument gigantesque; la chance que l'un des Voyageurs, ou une autre mission de la planète extérieure, heurte un astéroïde était infinitésimale.
Deuxièmement, la ceinture d'astéroïdes elle-même n'est pas vraiment contrainte au plan de l'écliptique; beaucoup d'astéroïdes ont des inclinaisons importantes, donc rester en dehors de l'écliptique ne garantirait pas la sécurité.
Troisièmement, l'incorporation d'un changement d'inclinaison significatif dans la trajectoire de départ de la Terre aurait exigé beaucoup de performances supplémentaires; Je ne sais pas d'emblée quelle inclinaison aurait pu être obtenue compte tenu des performances maximales du lanceur et de la masse du vaisseau spatial Voyager, mais je ne pense pas qu'il y avait beaucoup de marge de performance disponible.
Enfin, les trajectoires des survols des Voyageurs de Jupiter étaient fortement contraintes par la nécessité d'utiliser la gravité de Jupiter pour se lancer en direction de Saturne. Il est possible d'incorporer un changement d'inclinaison dans une manœuvre d'assistance de gravité (passer de la jambe inclinée Terre-Jupiter à la jambe dans l'écliptique Jupiter-Saturne), mais cela aurait pu entrer en conflit avec d'autres paramètres de mission.
Une trajectoire képlérienne dans le système solaire doit essentiellement être dans un plan défini par trois points: l'emplacement du Soleil, l'emplacement d'où vous partez et le point où se trouvera votre cible lorsque votre vaisseau spatial arrivera. Comme les planètes sont proches de l'écliptique, ce plan sera généralement proche de l'écliptique pour une mission interplanétaire.
Considérez alors que le carburant est précieux et que les changements d'avions utilisant la poussée nécessitent beaucoup de carburant. Le seul moyen pratique de sortir un vaisseau spatial sensiblement du plan écliptique est une assistance gravitationnelle d'une planète géante .
Ainsi, en pratique, les seules trajectoires interplanétaires utilisables sont proches de l'écliptique.
La ceinture d'astéroïdes est toroïdale, les astéroïdes ne sont pas confinés au plan écliptique. Ce diagramme de Wikipedia montre que la plupart des astéroïdes ont des inclinaisons orbitales inférieures à 10 °, mais il y a encore des nombres significatifs jusqu'à 20 ° environ.
Ce tracé de l'inclinaison orbitale ($i_p$) versus excentricité ($e_p$) pour les astéroïdes numérotés de la ceinture principale montre clairement des amas représentant des familles d'astéroïdes.
Aussi à partir de cet article,
La distribution orbitale des astéroïdes atteint un maximum à une excentricité d'environ 0,07 et une inclinaison inférieure à 4 °. Ainsi, bien qu'un astéroïde typique ait une orbite relativement circulaire et se trouve près du plan de l'écliptique, certaines orbites d'astéroïdes peuvent être très excentriques ou se déplacer bien en dehors du plan de l'écliptique.
Comme le montre le diagramme suivant, le rayon orbital moyen de la plupart des astéroïdes de la ceinture principale se situe entre 2,1 UA et 3,25 UA.
Pour aller au-dessus (ou en dessous) de la ceinture, l'orbite de votre vaisseau spatial doit avoir une inclinaison d'au moins 10 °. Mais 10 ° à 3 UA vous met environ 0,52 UA ou près de 78 millions de km au-dessus de l'écliptique, ce qui est un détour assez important, surtout si votre destination prévue est proche de l'écliptique. Un tel détour représente une quantité importante d'énergie orbitale, et donc une consommation de carburant.
Cependant, comme déjà mentionné dans d'autres réponses, un tel détour est tout à fait inutile. La ceinture d'astéroïdes est clairsemée. Comme le dit Wikipedia,
Les astéroïdes sont répartis sur un volume si important qu'il serait improbable d'atteindre un astéroïde sans viser soigneusement.
Une estimation typique de la distance moyenne entre les astéroïdes est d'environ 1 000 000 km (2,6 × la distance entre la Terre et la Lune), mais c'est pour les astéroïdes de diamètre 1 km et plus. Il existe probablement des estimations pour des corps plus petits, mais ils ne sont pas faciles à trouver, bien qu'il y ait probablement des informations utiles dans les articles liés à Quelle est la distance moyenne entre les objets de notre ceinture d'astéroïdes?
Il y a des régions de la ceinture d'astéroïdes avec des concentrations plus élevées que la moyenne de sable et de poussière. C'est probablement une bonne idée de les éviter, si cela est possible, mais ils ne représentent pas un danger majeur pour les vaisseaux spatiaux typiques. Selon le chasseur d'astéroïdes vétéran Tom Gehrels de l'Université de l'Arizona, dans cet article de la science américaine de 1997,
À certains égards, la ceinture d'astéroïdes est en fait plus vide que nous ne le souhaiterions. Au début des années 1990, la National Aeronautics and Space Administration voulait que le vaisseau spatial Galileo rencontre un astéroïde alors qu'il traversait la ceinture d'astéroïdes en route vers Jupiter. Mais il a fallu quelques efforts pour trouver un objet qui se trouvait même approximativement le long du chemin de Galilée. Un ciblage spécial était nécessaire pour atteindre cet objet, mais le résultat était la première vue rapprochée d'un astéroïde, celui appelé Gaspra.
Le nombre d'objets dans la ceinture d'astéroïdes augmente fortement avec la taille décroissante, mais même à des tailles micrométriques, le vaisseau spatial Pioneer n'a été touché que quelques fois au cours de leur passage.