研究:若Lyra概念任務能在2028年前發射,那麼可在26年內追上“奧陌陌”

2017年10月,星際天體奧陌陌(Oumuamua)穿過了我們的太陽系並留下了很多問題。它不僅是有史以來第一個被觀測到的同類天體,而且當它射出太陽系時天文學家獲得的有限數據讓他們都感到撓頭。

研究:若Lyra概念任務能在2028年前發射,那麼可在26年內追上“奧陌陌”

即使在今天,在這個星際來客飛越近五年之後,科學家們仍無法確定它的真實性質和來源。最後,從奧陌陌那裡得到一些真正答案的唯一方法就是追上它。

有趣的是,現在有許多關於任務的建議可以做到這一點。Lyra項目是Initiative for Interstellar Studies(i4is)的一項提議,它將依靠先進的推進器技術與星際天體(ISO)會合併對其進行研究。根據他們的最新研究,如果他們的任務概念在2028年發射並執行複雜的Jupiter Oberth Manoeuvre(JOM),那麼它將能在26年內追上奧陌陌。

2017年10月30日,在探測到奧陌陌后不到兩周,i4is啟動了Lyra項目。這項概念研究的目的是確定使用當前或近期技術跟奧陌陌交會的任務是否可行。此後,i4is團隊進行了研究,他們考慮使用核熱推進器(NTP)和激光帆船追趕ISO,類似於“突破之星”–一個在20年內到達半人馬座阿爾法星的星際任務概念。

據了解,以前提出的利用近期技術到達奧陌陌的大多數方法都要求採用太陽奧伯斯機動法(SOM)。一個完美的例子就是Sundiver,這是由馬克斯-普朗克天文研究所的研究員Coryn Bailer-Jones提出的建議。這個概念依靠太陽的輻射壓力來獲得一個非常高的速度,其帶有輕盈的帆。

SOM和其他Oberth機動的核心是一種被稱為“重力輔助”的技術,自20世紀70年代初以來,它一直被用於探索太陽系。這種技術包括利用三個物體的引力,包括航天器、提供“輔助”的第二個天體(通常是一個大行星)和控制航天器路徑的中心天體。

I4is研究員Adam Hibberd是這項最新Lyra研究的論文第一作者。在加入i4is之前,Hibberd是一名航天工程師,開發了最佳行星際軌跡軟件(OITS)。當探測到奧陌陌時,他決定使用OITS,把這個ISO作為預定的目的地。在知道Lyra計劃后,他很快就加入了他們和他們的研究工作。

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Hibberd通過電子郵件向Universe Today解釋稱,SOM依靠三個不連續的速度變化(又稱脈衝)來離開太陽系。這些包括:

在地球,增加航天器跟太陽的最遠距離(遠日點);

在遠日點,放慢速度並落在太陽附近;

在離太陽最近的地方(近日點),當航天器以最快速度飛行時獲得額外的推動力。

然而這個理論設置沒有考慮到木星。為了尋找SOM的替代方案,Hibbert和他的同事考慮使用一條經過時間考驗的路線,從而將木星強大的引力納入其中。他們這樣做的部分動機是太陽引力輔助機動的內在挑戰。雖然這種操縱在紙面上看起來很好,但它以前從未被執行過,因此技術準備水平(TRL)等級較低。

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更重要的是,當航天器在第三步達到近日點時會有多少加熱發生的問題。這些問題在NASA最近的一項題為《Interstellar Probe: Humanity’s Journey to Interstellar Space》的太陽和空間物理概念研究中得到了解決。

跟早期的任務不同,在早期任務中需要為給定的太陽距離設計防護罩,而星際探測器的挑戰是看一個航天器能夠現實地接近太陽。隨着太陽距離的減少,本影角增大,相對於航天器而言,防護罩的尺寸也會大大增加。

由於概念設計工作不可能包括完整設計的所有材料設計、製造和測試限制,所以允許的太陽距離的最終建議是根據設計似乎從非常困難到不可能的地方提出的。

正如帕克太陽探測器充分表明的那樣,接近太陽需要一個能處理極端高溫和輻射的熱屏蔽。就帕克而言,該防護罩的直徑約為2.44米,重量約為72.5公斤。雖然Lyra的隔熱罩的尺寸和質量不會完全相同,但可以肯定的是,太陽能隔熱罩會給光帆帶來大量的額外質量。

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作為一個替代方案,Hibberd和他的團隊建議採用木星奧伯斯機動(JOM),它將從地球發射,然後圍繞金星和地球擺動並進行深空機動再次從地球旁邊擺動,隨後利用木星的引力接受重力輔助。

Hibberd和他的團隊確定的另一個優勢是航天器的到達速度,它將比依靠SOM的航天器慢得多–18公里/秒 vs. 30公里/秒。這將使航天器在接近和離開時有更多的時間來分析奧陌陌。基於2028年的發射窗口,他們確定Lyra計劃的航天器將能在2054年之前追上奧陌陌。

鑒於奧陌陌是我們可以接觸到的最接近的星際物質,會合任務的科學回報將是不可估量的。以交會任務相對較低的成本,人類可以在本世紀中葉首次瞥見其他恆星系統中的情況。更重要的是,這將是一個最終解決奧陌陌多年前對地球進行歷史性飛越時提出的許多問題的機會。

所以它會是一座氮氣冰山嗎?它是外星人嗎?或者是否還是其他什麼東西?如果我們出對了牌,那麼到本世紀中葉我們將可能知道答案。

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