Por que espaçonaves de exploração como as Voyager 1 e 2 passam pelo cinturão de asteróides, e não acima ou abaixo dele?
Eu entendo que o risco de atingir um asteróide é pequeno, mas estou me perguntando se há uma razão pela qual as espaçonaves geralmente permanecem no plano orbital principal do Sistema Solar .
Respostas
Primeiro, o espaço é absolutamente gigantesco; a chance de qualquer uma das Voyagers, ou qualquer outra missão do planeta exterior, atingir um asteróide era infinitesimal.
Em segundo lugar, o próprio cinturão de asteróides não está realmente restrito ao plano da eclíptica; muitos asteróides têm inclinações significativas, portanto, ficar fora da eclíptica não garantiria a segurança.
Terceiro, incorporar uma mudança significativa de inclinação na trajetória de partida da Terra exigiria muito desempenho adicional; Não sei de cara quanta inclinação poderia ter sido alcançada dado o desempenho máximo do lançador e a massa da espaçonave Voyager, mas não acho que havia muita margem de desempenho disponível.
Finalmente, as trajetórias dos voos das Voyagers por Júpiter foram fortemente restringidas pela necessidade de usar a gravidade de Júpiter para lançar um estilingue em direção a Saturno. É possível incorporar uma mudança de inclinação em uma manobra de auxílio à gravidade (mudando da perna inclinada da Terra para Júpiter da perna in-eclíptica de Júpiter para Saturno), mas fazer isso pode ter entrado em conflito com outros parâmetros da missão.
Uma trajetória Kepleriana no sistema solar precisa essencialmente estar em um plano definido por três pontos: a localização do Sol, a localização de onde você está partindo e o ponto em que seu alvo estará quando sua espaçonave chegar. Como os planetas estão próximos da eclíptica, este plano geralmente estará próximo da eclíptica para uma missão interplanetária.
Então, considere que o combustível é precioso e mudar de avião usando o empuxo requer muito combustível. A única maneira prática de obter uma espaçonave substancialmente fora do plano eclíptico é com auxílio da gravidade de um planeta gigante .
Assim, na prática, as únicas trajetórias interplanetárias utilizáveis são próximas à eclíptica.
O cinturão de asteróides é toroidal, os asteróides não estão confinados ao plano da eclíptica. Este diagrama da Wikipedia mostra que a maioria dos asteróides tem inclinações orbitais abaixo de 10 °, mas ainda existem números significativos de 20 ° ou mais.
Este gráfico de inclinação orbital ($i_p$) versus excentricidade ($e_p$) para os asteróides numerados do cinturão principal mostra claramente aglomerados que representam famílias de asteróides.
Também desse artigo,
A distribuição orbital dos asteróides atinge um máximo com uma excentricidade de cerca de 0,07 e uma inclinação abaixo de 4 °. Assim, embora um asteróide típico tenha uma órbita relativamente circular e esteja próximo ao plano da eclíptica, algumas órbitas de asteróide podem ser altamente excêntricas ou viajar bem fora do plano da eclíptica.
Como mostra o diagrama a seguir, o raio orbital médio para a maioria dos asteróides do cinturão principal está entre 2,1 UA e 3,25 UA.
Para ir acima (ou abaixo) do cinturão, a órbita de sua espaçonave precisa ter uma inclinação de pelo menos 10 °. Mas 10 ° a 3 UA coloca você cerca de 0,52 UA ou quase 78 milhões de km acima da eclíptica, o que é um desvio bastante significativo, especialmente se o destino pretendido for próximo ao plano da eclíptica. Esse desvio representa uma quantidade considerável de energia orbital e, portanto, o consumo de combustível.
No entanto, como já foi mencionado em outras respostas, esse desvio é totalmente desnecessário. O cinturão de asteróides é esparso. Como diz a Wikipedia,
Os asteróides estão espalhados por um volume tão grande que seria improvável atingir um asteróide sem mirar com cuidado.
Uma estimativa típica da distância média entre asteróides é de cerca de 1.000.000 km (2,6 × a distância entre a Terra e a Lua), mas isso é para asteróides com diâmetro de 1 km e maiores. Provavelmente, existem estimativas para corpos menores, mas não são fáceis de encontrar, embora provavelmente haja informações úteis nos artigos vinculados a Qual é a distância média entre objetos em nosso cinturão de asteróides?
Não são regiões na correia asteróide com maiores que as concentrações médias de grão e poeira. Provavelmente, é uma boa ideia evitá-los, se for prático, mas eles não representam um grande risco para uma espaçonave comum. De acordo com o veterano caçador de asteróides Tom Gehrels, da Universidade do Arizona, neste artigo da Scientific American de 1997,
De certa forma, o cinturão de asteróides está realmente mais vazio do que gostaríamos. No início da década de 1990, a Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço queria que a espaçonave Galileo encontrasse um asteróide enquanto passava pelo cinturão de asteróides a caminho de Júpiter. Mas foi preciso algum esforço para encontrar um objeto que estava localizado aproximadamente ao longo do caminho de Galileu. Uma mira especial foi necessária para alcançar este objeto, mas o resultado foi a primeira visão de perto de um asteróide, o chamado Gaspra.
O número de objetos no cinturão de asteróides aumenta abruptamente com o tamanho decrescente, mas mesmo em tamanhos de micrômetro, a espaçonave Pioneer foi atingida apenas algumas vezes durante sua passagem.