Почему исследовательские космические корабли, такие как "Вояджер-1" и "Вояджер-1", проходят через пояс астероидов, а не над ним или под ним?
Я понимаю, что риск столкновения с астероидом невелик, но мне интересно, есть ли причина, по которой космический корабль обычно остается на главной орбитальной плоскости Солнечной системы .
Ответы
Во-первых, космос абсолютно гигантский; шанс столкновения «Вояджеров» или любой другой космической миссии с астероидом был бесконечно мал.
Во-вторых, пояс астероидов на самом деле не ограничен плоскостью эклиптики; Многие астероиды имеют значительные наклонения, поэтому выход за пределы эклиптики не гарантирует безопасности.
В-третьих, включение значительного изменения угла наклона в траекторию отлета от Земли потребовало бы значительных дополнительных характеристик; Я не представляю себе, какой угол наклона мог быть достигнут с учетом максимальной производительности ракеты-носителя и массы космического корабля «Вояджер», но я не думаю, что имелся большой запас производительности.
Наконец, траектории пролета «Вояджеров» над Юпитером были сильно ограничены необходимостью использовать гравитацию Юпитера, чтобы направиться к Сатурну. Можно включить изменение наклона в гравитационный маневр (переход от наклонного участка Земли к Юпитеру от участка эклиптики от Юпитера к Сатурну), но это могло бы противоречить другим параметрам миссии.
Кеплеровская траектория в Солнечной системе, по существу, должна быть в плоскости, определяемой тремя точками: положением Солнца, местом, откуда вы начинаете, и точкой, в которой будет находиться ваша цель, когда ваш космический корабль прибудет. Поскольку планеты близки к эклиптике, эта плоскость обычно будет близка к эклиптике для межпланетной миссии.
Затем учтите, что топливо ценно, а для смены самолетов, использующих тягу, требуется много топлива. Единственный практический способ вывести космический корабль из плоскости эклиптики - это гравитационная помощь с планеты-гиганта .
Таким образом, на практике единственные пригодные для использования межпланетные траектории близки к эклиптике.
Пояс астероидов тороидальный, астероиды не ограничиваются плоскостью эклиптики. Эта диаграмма из Википедии показывает, что большинство астероидов имеют наклонение орбиты менее 10 °, но все еще есть значительные числа, отклоняющиеся до 20 ° или около того.
Этот график наклонения орбиты ($i_p$) против эксцентриситета ($e_p$) для пронумерованных астероидов главного пояса ясно показывает скопления, представляющие семейства астероидов.
Также из этой статьи,
Орбитальное распределение астероидов достигает максимума при эксцентриситете около 0,07 и наклонении ниже 4 °. Таким образом, хотя типичный астероид имеет относительно круговую орбиту и находится вблизи плоскости эклиптики, некоторые орбиты астероидов могут быть сильно эксцентричными или выходить далеко за пределы плоскости эклиптики.
Как показано на следующей диаграмме, средний радиус орбиты большинства астероидов главного пояса находится между 2,1 и 3,25 а.е.
Чтобы летать выше (или ниже) пояса, орбита вашего космического корабля должна иметь наклон не менее 10 °. Но 10 ° в 3 а.е. помещает вас примерно на 0,52 а.е., или почти на 78 миллионов км над эклиптикой, что является довольно значительным обходным путем, особенно если ваш намеченный пункт назначения находится близко к плоскости эклиптики. Такой объезд требует значительного количества орбитальной энергии и, следовательно, расхода топлива.
Однако, как уже упоминалось в других ответах, такой обходной путь совершенно не нужен. Пояс астероидов разрежен. Как говорит Википедия,
Астероиды разбросаны по настолько большому объему, что было бы маловероятно достигнуть астероида без тщательного прицеливания.
Типичные оценки среднего расстояния между астероидами составляют около 1 000 000 км (2,6 × расстояние между Землей и Луной), но это для астероидов диаметром 1 км и больше. Вероятно, существуют оценки для более мелких тел, но их нелегко найти, хотя, вероятно, есть полезная информация в статьях, на которые есть ссылки на Какое среднее расстояние между объектами в нашем поясе астероидов?
В поясе астероидов есть области с более высокими, чем в среднем, концентрациями песка и пыли. Вероятно, лучше избегать их, если это возможно, но они не представляют серьезной опасности для обычного космического корабля. По словам опытного охотника за астероидами Тома Герелса из Университета Аризоны, в статье журнала Scientific American от 1997 года,
В некотором смысле пояс астероидов на самом деле более пуст, чем нам хотелось бы. В начале 1990-х годов Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства хотело, чтобы космический корабль «Галилео» столкнулся с астероидом, когда он проходит через пояс астероидов на пути к Юпитеру. Но потребовались некоторые усилия, чтобы найти объект, который находился хотя бы примерно на пути Галилея. Чтобы достичь этого объекта, требовалось специальное прицеливание, но в результате был получен первый крупный план астероида под названием Гаспра.
Количество объектов в поясе астероидов резко возрастает с уменьшением размеров, но даже при микрометровых размерах космический корабль Pioneer был поражен всего несколько раз во время своего пролета.