探測器能利用海王星最大衛(wèi)星的大氣層進入環(huán)繞行星的軌道嗎？

-“減速傘”，太陽系行星探測的新利器，如何助力人類重返海王星？

-太空“減速帶”，衛(wèi)星大氣層的妙用

研究者們剛剛分享了一個幫助航天器進入環(huán)海王星軌道的全新方法：利用海衛(wèi)一（海王星最大的衛(wèi)星）稀薄的大氣層為探測器減速。

一位藝術(shù)家描繪的海王星與它最大的衛(wèi)星海衛(wèi)一。

(圖像來源：NASA GSFC/Dan Gallagher)

唯一拜訪過海王星的探測器是旅行者二號，在它1980年代那次歷史性的外太陽系之旅中，只在這個神秘的世界邊上逗留了幾分鐘。旅行者二號的發(fā)射距今已有40余年，盡管世界各地的航天機構(gòu)在這段時間里研發(fā)并發(fā)射了大量探測器，著陸器和探測車，它們中沒有一個到訪了海王星，更別說環(huán)繞它。

行星科學(xué)家們早已對重返海王星十分感興趣，但其遙遠的距離使環(huán)繞或著陸任務(wù)近乎不可能完成。雖然2006年發(fā)射的新視野號探測器曾拜訪過更遠的冥王星，但只是從其身邊掠過。目前人類發(fā)射的最遠的軌道飛行器是卡西尼號土星探測器。

由于海王星與地球遙遠的距離，想要對其進行研究十分困難。海王星到太陽的距離約為地日距離的30倍。作為對比，木星距太陽只有地日距離的5倍。一個探測器到達木星尚且需要數(shù)年，更何況數(shù)倍遠的海王星。盡管旅行者二號通過保持快速飛行只花了12年到達海王星，而通常的任務(wù)不會采取這樣的策略。新視野號探測器在2014年在24.5億英里（39.6億公里）處掠過海王星，但它從未減速。要想進入一顆行星的軌道而不減速在目前的技術(shù)條件下是不可行的。

重返海王星計劃的一個問題是僅僅聚焦于那個世界的飛掠任務(wù)不會提供顯著回報。如果不是1970和80年代的幾次任務(wù)十分幸運地可以進行調(diào)整，我們還需要耗費更多的燃料來把探測器送去那個方向，并且我們能取得的科學(xué)上的收獲不會比幾十年前多多少。

在成功完成飛掠任務(wù)后，理應(yīng)進行下一步的環(huán)繞任務(wù)，但是極端遙遠的距離帶給這種任務(wù)重大的挑戰(zhàn)。我們目前還無法發(fā)射一個足夠大的軌道器進入海王星系統(tǒng)，并攜帶足以使它在合理的時間內(nèi)減速并入軌的燃料。

但是，研究者們想出了一個妙招：利用海衛(wèi)一，海王星最大衛(wèi)星的稀薄大氣層捕捉探測器。

旅行者二號拍攝的海衛(wèi)一南極冰面上由間歇泉制造的黑色斑紋（圖像來源：NASA/JPL）

在預(yù)印本數(shù)據(jù)庫arXiv的一篇文件中，研究者們指出在2022年，NASA成功完成了“充氣式減速器的低地球軌道飛行測試（LOFTID）”。該項目的目的是研制一種充氣式護盾，用于保護正在地球大氣中下落的飛行器并為其減速，這樣飛行器就不會在著陸時直接撞擊地面。

這些研究者提議在未來的海王星探測器上應(yīng)用類似于LOFTID的裝置（稱作減速傘），以達到減速的效果。雖然海衛(wèi)一的大氣壓只有地球的1/70000不到，但也能有效地將探測器的速度降到能被海王星捕捉入軌的程度。而且為了校準飛行器的軌跡以將其送入最佳軌道，這個“減速傘”將可以改變角度。

為了達到效果，探測器將必須下降到距海衛(wèi)一表面6英里（10km）左右的高度。這只略高于一般的洲際航班飛行高度，但海衛(wèi)一沒有高聳的山脈（已知最高的山峰只有1km高），所以發(fā)生災(zāi)難性碰撞的風(fēng)險很小。

相似的想法，如利用土衛(wèi)六（泰坦）使一個帶有減速傘的探測器進入土星軌道也曾被提出，但泰坦擁有濃密的多的大氣層，使這項計劃十分容易。雖然海衛(wèi)一的大氣非常稀薄，但它距海王星相對更遠。換言之，探測器在此處相對更慢，也就不需要將速度下降那么多（以被海王星的引力捕獲）。

研究者們估計，在使用“減速傘”技術(shù)的情況下，去往海王星的旅程只需15年。這遠短于目前任何其它方案所需要的時間，因為如果使用當(dāng)前方案，探測器需要攜帶如此之多的燃料用于減速，以至于它將無法達到很高的速度。這個新方案還有額外的好處：它將近距離探測海衛(wèi)一這個可能來自柯伊柏帶的太陽系中最奇特的天體之一。我們將能從距海衛(wèi)一地表幾公里處的絕佳位置進行觀察，從而帶給我們許多十分有價值的信息。

BY: Paul Sutter

FY: Torreya

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請在作品發(fā)布后聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處