Dlaczego statki kosmiczne badawcze, takie jak Voyager 1 i 2, przechodzą przez pas asteroid, a nie nad nim lub pod nim?
Rozumiem, że ryzyko uderzenia w asteroidę jest niewielkie, ale zastanawiam się, czy istnieje powód, dla którego statek kosmiczny zwykle pozostaje na głównej płaszczyźnie orbity Układu Słonecznego .
Odpowiedzi
Po pierwsze, przestrzeń jest absolutnie gigantyczna; szansa, że którykolwiek z Voyagerów lub inna misja na planetach zewnętrznych trafi w asteroidę, była nieskończenie mała.
Po drugie, sam pas asteroid nie jest tak naprawdę ograniczony do płaszczyzny ekliptyki; wiele asteroid ma znaczne nachylenia, więc pozostanie poza ekliptyką nie gwarantuje bezpieczeństwa.
Po trzecie, wprowadzenie znaczącej zmiany nachylenia do trajektorii odlotu Ziemi wymagałoby wielu dodatkowych osiągów; Nie wiem od początku, jak duże nachylenie można było osiągnąć, biorąc pod uwagę maksymalne osiągi wyrzutni i masę statku kosmicznego Voyager, ale nie sądzę, aby był dostępny duży margines wydajności.
Wreszcie, trajektorie przelotów Voyagerów w pobliżu Jowisza były mocno ograniczone potrzebą wykorzystania grawitacji Jowisza do lotu w kierunku Saturna. Możliwe jest włączenie zmiany nachylenia do manewru wspomagania grawitacji (zmiana z nachylonej nogi Ziemia do Jowisza z nieekliptycznej nogi Jowisza na Saturna), ale mogłoby to kolidować z innymi parametrami misji.
Keplerowska trajektoria w Układzie Słonecznym zasadniczo musi przebiegać na płaszczyźnie określonej przez trzy punkty: położenie Słońca, miejsce, z którego zaczynasz i punkt, w którym znajdzie się twój cel, gdy nadejdzie twój statek kosmiczny. Ponieważ planety znajdują się blisko ekliptyki, płaszczyzna ta będzie zazwyczaj znajdować się blisko ekliptyki podczas misji międzyplanetarnej.
Następnie weź pod uwagę, że paliwo jest cenne, a zmiana samolotu z ciągiem wymaga dużo paliwa. Jedynym praktycznym sposobem na wyniesienie statku kosmicznego z płaszczyzny ekliptyki jest asysta grawitacyjna z gigantycznej planety .
Zatem w praktyce jedyne możliwe do wykorzystania trajektorie międzyplanetarne są zbliżone do ekliptyki.
Pas asteroid jest toroidalny, asteroidy nie są ograniczone do płaszczyzny ekliptyki. Ten diagram z Wikipedii pokazuje, że większość asteroid ma nachylenie orbity poniżej 10 °, ale nadal istnieją znaczące liczby do około 20 °.
Ten wykres nachylenia orbity ($i_p$) a ekscentryczność ($e_p$) dla ponumerowanych asteroid pasa głównego wyraźnie widać skupiska reprezentujące rodziny asteroid.
Również z tego artykułu
Orbitalny rozkład asteroid osiąga maksimum przy mimośrodzie około 0,07 i nachyleniu poniżej 4 °. Tak więc, chociaż typowa asteroida ma względnie kołową orbitę i leży w pobliżu płaszczyzny ekliptyki, niektóre orbity asteroid mogą być bardzo ekscentryczne lub poruszać się daleko poza płaszczyzną ekliptyki.
Jak pokazuje poniższy diagram, średni promień orbity większości asteroid głównego pasa mieści się w przedziale od 2,1 do 3,25 AU.
Aby przejść powyżej (lub poniżej) pasa, orbita twojego statku kosmicznego musi mieć nachylenie co najmniej 10 °. Ale 10 ° na 3 AU to około 0,52 AU lub prawie 78 milionów km nad ekliptyką, co jest dość znaczącym objazdem, zwłaszcza jeśli zamierzony cel znajduje się blisko płaszczyzny ekliptyki. Taki objazd oznacza znaczną ilość energii orbitalnej, a tym samym zużycie paliwa.
Jednak, jak już wspomniano w innych odpowiedziach, taki objazd jest zupełnie niepotrzebny. Pas asteroid jest rzadki. Jak mówi Wikipedia,
Asteroidy są rozrzucone na tak dużej przestrzeni, że dotarcie do asteroidy bez dokładnego wycelowania byłoby nieprawdopodobne.
Typowe szacunki średniej odległości między asteroidami to około 1 000 000 km (2,6 x odległość między Ziemią a Księżycem), ale dotyczy to asteroid o średnicy 1 km i większej. Prawdopodobnie istnieją szacunki dla mniejszych ciał, ale nie są one łatwe do znalezienia, chociaż prawdopodobnie w artykułach, do których linki znajdują się na stronie Jaka jest średnia odległość między obiektami w naszym pasie asteroid?
W pasie asteroid istnieją regiony, w których stężenie piasku i pyłu jest wyższe niż średnie. Prawdopodobnie dobrym pomysłem jest ich unikanie, jeśli jest to praktyczne, ale nie stanowią one większego zagrożenia dla typowych statków kosmicznych. Według weterana łowcy asteroid Toma Gehrelsa z University of Arizona, w artykule Scientific American z 1997 roku:
W pewnym sensie pas asteroid jest w rzeczywistości bardziej pusty, niż byśmy chcieli. We wczesnych latach 90. National Aeronautics and Space Administration chciał, aby sonda Galileo napotkała asteroidę, gdy przelatywała przez pas asteroid w drodze na Jowisz. Ale znalezienie obiektu, który znajdował się nawet z grubsza wzdłuż ścieżki Galileusza, wymagało pewnego wysiłku. Aby dotrzeć do tego obiektu, wymagane było specjalne celowanie, ale w rezultacie powstał pierwszy zbliżony widok asteroidy o nazwie Gaspra.
Liczba obiektów w pasie asteroid gwałtownie rośnie wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru, ale nawet przy rozmiarach mikrometrycznych sonda Pioneer została trafiona tylko kilka razy podczas przelotu.