旅行者2号由天王星(R)和海王星(L)乘飞机飞行,揭示了两个世界的特性,颜色,气氛和环系。 它们都有环,有许多有趣的卫星,还有我们正等待调查的大气和表面现象。 (美国宇航局/旅行者2号)

问伊桑:我们可以向天王星或海王星发出类似卡西尼的任务吗?

NASA的卡西尼号飞船向我们传授的知识超出了我们对土星的想象。 我们能为天王星和海王星做类似的事情吗?

从我们所在的太阳系中,借助我们强大的地面和太空观测站向遥远的宇宙注视,这给了我们许多人从未想过的观点和知识。 但是,仍然无法替代实际前往遥远的地方,因为对许多行星的专门任务已经教会了我们。 尽管我们投入了所有致力于行星科学的资源,但我们只向天王星和海王星发送了一项任务:旅行者2号,仅次于他们。 我们向这些外部世界执行轨道飞行任务的前景如何? 这就是我们Patreon的支持者Erik Jensen想要知道的,正如他所问的那样:

当使用木星将飞船送入天王星或海王星进行引力提升时,会有一个窗口出现。 使用此功能但能够足够慢地进入“冰巨人”轨道的阻力是什么?

让我们来看看。

目视检查显示地球大小和海王星大小的世界之间存在很大差距,但现实情况是,您只能比地球大25%左右,并且仍然是岩石。 更大的东西,您更像是天然气巨头。 虽然木星和土星有巨大的气体包裹层,大约占这些行星的85%,但海王星和天王星却截然不同,它们的大气下应该有大片液态海洋。 (陆军与行星学院)

太阳系是一个复杂的地方,但值得庆幸的是,它是固定的。 到达外部太阳系(即木星以外的任何行星)的最佳方法是利用木星本身来帮助您到达那里。 在物理学中,每当您有一个小的物体(如航天器)由巨大的静止物体(如恒星或行星)飞行时,引力可以极大地改变其速度,但其速度必须保持不变。

但是,如果还有第三个物体在重力上很重要,那么这个故事会发生轻微变化,并且在某种程度上与到达外部太阳系特别相关。 例如,飞越与太阳系在一起的行星飞行的航天器,可以通过向行星/太阳系窃取或放弃动量来提高或降低速度。 庞大的行星并不在乎,但航天器可以根据其轨迹获得加速(或减速)。

引力弹弓,如此处所示,是航天器如何通过引力辅助提高速度的方法。 (WIKIMEDIA告知用户ZEIMUSU)

这种机动被称为重力辅助,对于使旅行者1号和旅行者2号都脱离太阳系,以及最近使“新视野号”乘冥王星飞行至关重要。 尽管天王星和海王星分别具有84年和165年的超长轨道周期,但到达它们的任务窗口却每隔12年左右发生一次:每次木星完成一次轨道。

从地球发射的航天器通常会经过一些内部行星飞行几次,以准备木星的重力辅助。 绕着行星飞行的航天器可能会受到弹弓的撞击-重力弹弓是将重力助推器提升的一个词-具有更高的速度和能量。 如果我们愿意的话,我们今天就可以向海王星发射任务,这是对的。 天王星距离更近,更容易到达。

美国国家航空航天局(NASA)的“信使”探测器的飞行路线,在许多重力辅助下绕成成功,稳定的水星轨道。 如果要使用外部太阳系,则情况与此类似,不同之处在于您使用重力来增加日心中心速度,而不是从中减去。 (美国国家航空航天局(NASA / JHUAPL))

十年前,提出了Argo任务:它将飞越木星,土星,海王星和柯伊伯带天体,发射窗口的持续时间从2015年持续到2019年。但是飞越任务很容易,因为您没有使飞船减速。 将其插入一个环绕地球的轨道比较困难,但也会带来更多回报。

轨道飞行器无需一次通过,就可以在很长一段时间内多次为您提供整个世界的覆盖范围。 您可以看到世界大气中的变化,并以人眼看不见的各种波长连续地对其进行检查。 您会发现意想不到的新月,新环和新现象。 您甚至可以将着陆器或探测器送下行星或其中一颗卫星。 在最近完成的卡西尼号任务中,所有这些以及更多的事情已经发生在土星周围。

土星北极的2012年(L)和2016年(R)图像,均使用卡西尼号广角相机拍摄。 颜色的差异是由于直接光化学变化引起的土星大气化学成分的变化。 (美国宇航局/ JPL-CALTECH /空间科学研究所)

卡西尼号不仅了解了土星的物理和大气特性,尽管它做到了这一点。 它不仅成像并了解戒指,尽管它也做到了。 最不可思议的是,我们观察到了我们从未预料到的变化和瞬态事件。 土星表现出季节性变化,这与两极周围的化学和颜色变化相对应。 在土星上爆发了一场巨大的风暴,环绕着地球并持续了许多个月。 发现土星环具有强烈的垂直结构,并且会随着时间变化。 它们是动态的,而不是静态的,并提供了一个实验室,向我们传授有关行星月球形成的知识。 并且,借助其数据,我们解决了旧问题,并发现了有关其卫星Iapetus,Titan和Enceladus等的新奥秘。

在8个月的时间里,太阳系中最大的风暴席卷了整个天然气巨头世界,并且能够容纳多达10至12个地球。 (美国宇航局/ JPL-CALTECH /空间科学研究所)

毫无疑问,我们想对天王星和海王星做同样的事情。 已经提出了许多前往天王星和海王星的轨道飞行任务,并在任务提交过程中取得了很大进展,但实际上没有一个计划建造或飞行。 NASA,ESA,JPL和英国都提出了仍在运行中的天王星轨道器,但没人知道未来会怎样。

到目前为止,我们仅从远处研究了这些世界。 但是,从现在起很多年以后,未来的任务将充满希望,届时到达两个世界的发射窗口将立即对准。 2034年,概念性的ODINUS任务将同时向天王星和海王星发送双轨道器。 该任务本身将是NASA和ESA之间的一次壮观的合资企业。

哈勃发现的最后两个(最外面的)天王星环。 我们从“旅行者2号”飞越天王星的内环发现了如此多的结构,但是轨道飞行器可以向我们展示更多。 (NASA,ESA和M.SHOWALTER(SETI学院))

天王星探测器和轨道器是2011年向NASA行星科学十年计划提出的主要旗舰级任务之一。 该任务被列为第三优先任务,仅次于2020年火星探测器和欧罗巴快船。 天王星探测器和轨道器可以在2020年代以每年21天的窗口发射:当地球,木星和天王星到达最佳位置时。 该轨道器上将配备三个单独的仪器,用于成像和测量天王星,其环和其卫星的各种特性。 天王星和海王星的大气层下面应该有巨大的液态海洋,而且轨道飞行器应该能够确定地发现它。 大气探测器将测量形成云的分子,热量分布以及风速如何随深度变化。

由欧空局提议与美国国家航空航天局(NASA)合资成立的ODINUS任务将使用两套轨道器同时探索海王星和天王星。 (ODINUS小组-MART / ODINUS.IAPS.INAF.IT)

由欧洲航天局的宇宙视觉计划提议,海王星和天王星系统(ODINUS)的起源,动力学和内饰(ODINUS)任务走得更远:将这一概念扩展到两个双轨道飞行器,这将向海王星发射一个,向天王星发射一个。 2034年的发射窗口将地球,木星,天王星和海王星正确对准,可以同时发射它们。

Flyby任务非常适合初次接触,因为您可以通过近距离观察世界来了解很多东西。 它们也很棒,因为它们可以达到多个目标,而轨道飞行器则停留在他们选择运行的任何世界上。 最后,轨道飞行器必须携带燃料进行燃烧,减速并进入稳定的轨道,这使飞行任务变得更加昂贵。 但是,我认为,从长期维持在行星上获得的科学远不能弥补。

当您绕着一个轨道运行时,您可以从各个侧面看到它,以及它的环,卫星以及它们随着时间的变化。 例如,多亏了卡西尼号,我们才发现了一个新环的存在,该环起源于被捕获的小行星菲比,它的作用是使神秘的月亮Iapetus的一半变黑。 (史密森尼航空与航天,取自美国宇航局/卡西尼号影像)

目前,此类任务的局限性并非来自技术成就。 如今,已有技术可以做到这一点。 困难是:

  • 政治性的:由于NASA的预算有限且有限,而且其资源必须服务于整个社区,
  • 物理的:因为即使使用NASA的新型重型起重车辆,即SLS的未拧紧版本,我们也只能向外部太阳系发送有限量的质量,并且
  • 实用:因为在距太阳如此遥远的距离,太阳能电池板将无法工作。 我们需要放射源来为如此遥远的航天器提供动力,而我们可能做得不够。

即使其他所有方面都保持一致,最后一个也可能是破坏交易的人。

238氧化pellet自身发热发出光芒。 Pu-238也是核反应的副产品,它是一种放射性核素,用于驱动深空飞行器,从火星好奇号火星车到超远航程旅行者。 (美国能源部)

238238是一种在核材料加工过程中产生的同位素,我们的大部分储存来自我们积极制造和储存核武器的时代。 它被用作放射性同位素热电发生器(RTG),在执行对月球,火星,木星,土星,冥王星和一系列深空探测器(包括“先锋”号和“旅行者”号飞船)的飞行中非常引人注目。

但是我们在1988年就停止了生产,由于停止生产,我们从俄罗斯购买它的选择也减少了。 最近在橡树岭国家实验室生产新Pu-238的努力已经开始,到2015年底生产了约2盎司。在那里的持续发展以及安大略电力公司的发展,可能足以在2030年代为一项任务提供动力。

通过旅行者2号广角相机的透明滤镜获得的两次591秒曝光的拼接,显示出海王星全环系统的灵敏度最高。 天王星和海王星有许多相似之处,但是专门的任务也可以发现前所未有的差异。 (NASA / JPL)

碰到行星时,您移动的速度越快,需要将更多的燃料加到航天器上以减慢速度并将自己插入轨道。 对于去冥王星的任务,没有机会。 新视野号太小,速度太快,再加上冥王星的质量很低,无法进行轨道插入。 但是对于海王星和天王星来说,尤其是如果我们从木星甚至土星中选择合适的重力助推器,这将是可行的。 如果我们只想要天王星,我们可以在2020年代的任何一年发射。 但是,如果我们都希望他们俩都去,那么2034年是要走的一年! 海王星和天王星在质量,温度和距离方面看起来与我们相似,但它们的确可能与地球与金星的区别一样。 只有一种找出方法。 靠一点运气,大量的投资和辛勤的工作,我们可能会在一生中找到答案。

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(注意:感谢Patreon支持者Erik Jensen的提问!)

凭借《爆炸》的开始,现在在《福布斯》上发表,并在我们的Patreon支持者的支持下在《中等》上重新发布。 伊桑(Ethan)撰写了两本书,《超越银河》和《 Treknology:从Tricorders到Warp Drive的《星际迷航》。