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[任务跟踪] 美宇航局将天王星和海王星探测计划提上日程

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HaleBoppComet 发表于 2015-8-27 08:58 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 HaleBoppComet 于 2015-8-27 09:11 编辑

NASA行星科学部主任吉姆•格林(上图)8月24日介绍说:“NASA已启动对天王星或海王星探测任务的初步研究。”

腾讯太空讯 近日,美国宇航局NASA要求科学家评估如何设计探索天王星与海王星的探测器,这也是人类在太阳系内仅剩的尚未以环绕方式探测的两颗行星,而冰巨行星(天王星和海王星)的探测任务在未来20年是NASA探测任务清单的前几名。

在1986年1月与1989年8月旅行者2号近距离飞掠过天王星与海王星后,人类已有三十年没有造访这两颗太阳系最远的行星了,关于天王星与海王星的高清图像资料也是由那次飞掠提供的。但现在,以环绕方式对这两颗远日行星进行详细探测的计划被提上日程,并且是未来20年NASA行星科学探测的重要目标之一。

探测器预计在2020年代末或2030年代初发射,喷气推进实验室JPL将着眼于研究这两颗冰巨行星的结构和成分,卫星系统等。


旅行者2号1986年1月拍摄的天王星,这也是人类迄今唯一一次对天王星的造访


行星科学部主任吉姆·格林介绍说:“探测器研制的重点是设计成一个通用的平台,这样可以同时开发出两个相似的航天器分别前往天王星与海王星,预计每个探测器将花费20亿美元。”但是格林说,科学家应该有尝试以更低成本研制出来的想法。在本周一,一个由NASA资助研究外行星的科学小组会议上,格林说:“我们需要确定一个大致的预算范围。巨大的预算价格将是我们这项探测任务的一个巨大障碍。”美国大学天文研究协会执行副主席海蒂·哈默尔说:“我们有重回外太阳系进行探索的强烈想法,但它是如此的艰难,我们正在努力使它更容易,变得不那么昂贵。”

这次评估也是让天王星与海王星的探测任务从图纸走向付诸实施的官方第一步,因为这将涉及到独立的成本与技术评估,科学界的审查与联邦预算等一系列的流程,这将需要多年的努力。评估结果将在2020年代初提交给美国国家研究委员会NRC的科学家小组,国家研究委员会每十年举行一次会议,讨论未来十年内最优先考虑的行星科学研究,并最终发布一份报告供NASA参考,而宇航局将遵循该报告的建议实施计划。


旅行者2号1989年8月拍摄的海王星,这也是人类迄今唯一一次对海王星的造访


冰巨行星的探测计划将是一项花费数十亿美元的旗舰级任务,将与探索土星的卡西尼-惠更斯号和最近刚批准的探测木卫二的任务同级。而目前美国航天局的预算无法同时支持两项旗舰级的行星科学任务,因此在木卫二探测器发射的2022年前,宇航局将没有更多精力投入在天王星和海王星的任务上。在2011年NRC发布的调查报告里,美国宇航局最近十年首要的行星科学目标是火星取样返回与木卫二探测任务。

天王星探测计划在2011年NRC的调查报告里位列第三,它最终能否被宇航局批准实施将取决于下一个十年NRC的报告。与冰巨行星探测计划同时竞争的项目还有土卫六探测计划、金星着陆器或漫游车、火星取样返回,宇航局也要求这些项目做相应的评估研究,不过目前冰巨行星的探测计划更有优势。


2011年美国国家研究委员会NRC发布的调查报告里,天王星轨道器的概念图


天王星与海王星距离太阳十分遥远,天王星距离太阳约28.8亿千米,是木星到太阳距离的4倍,海王星距离太阳约45亿千米,而木星轨道已是探测器使用太阳能的极限。天王星与海王星探测计划的轨道器将依靠以钚作为燃料的核电池RTG供电,联邦政府将提供生产这些核电池的资金保证。这种核电池通过热电偶装置把放射性同位素钚-238衰变产生的热直接转换为电能来提供给探测器的各项仪器设备使用,它已被应用在新视野号,卡西尼号与好奇号火星车上。

喷气推进实验室(JPL)评估的其他目标包括评估如何能让天王星与海王星的探测受益于先进的传感器技术,如小型仪器和高分辨率相机;还包括未来NASA最强大的火箭太空发射系统SLS能否在允许的时间内将探测器可靠地送抵天王星和海王星,它们也可能用一枚更小的火箭发射。美国宇航局还责成JPL确定国际合作伙伴如何参加该计划,并建立天王星与海王星项目的科学团队。

在今年新视野号飞掠冥王星之后,科学家们认为派出探测器前往这两颗远日行星是合乎逻辑的下一步,因为在2011年信使号进入环水星轨道后,太阳系八大行星就只有天王星与海王星还未有以绕飞的方式进行详细的探测,而上一次人类造访这两颗行星是旅行者2号以飞掠的方式探测的,只是匆匆一瞥,这对两颗直径是地球四倍的大行星而言显然是不够的,而且那是在20世纪80年代,已经过去了近三十年。

太阳系外的四颗巨行星分为两类,一类是以木星和土星为代表的气态巨行星,一类是以天王星和海王星为代表的冰巨行星。这两类行星的主要差异是:木星与土星的主要成分是氢和氦,而天王星与海王星主要由氨、水和甲烷等比氢和氦更重的物质组成。气态巨行星的质量90%以上都是氢和氦,而天王星与海王星只有20%是氢和氦。因此探测天王星与海王星,研究为什么这两颗行星与木星土星有如此大的差异非常有科学价值,对人类了解太阳系行星形成过程非常有帮助;而天王星高达97.77°的转轴倾斜与被海王星俘获的太阳系最大逆行轨道卫星海卫一也是科学家们非常感兴趣的。

来源:http://tech.qq.com/a/20150827/013939.htm



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 楼主| HaleBoppComet 发表于 2015-8-27 09:54 | 显示全部楼层
本帖最后由 HaleBoppComet 于 2015-8-27 10:01 编辑

不知道以SLS运力,能直接送往天王星和海王星入轨的探测器质量多少?

估计应该是类似卡西尼-惠更斯这样的轨道器加着陆器的联合探测 但质量应该比卡西尼打不少吧。

而且对天海的探测很可能是类似旅行者1,2号这样的双胞胎机器人 基本一样 同时出发 分别去天王星与海王星 考虑到天王星与海王星之间的遥远距离 估计天王星探测展开好几年了 海王星的探测器才入轨 想想就激动。

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黑与白 发表于 2015-8-27 10:00 | 显示全部楼层
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cmj9808 发表于 2015-8-27 15:22 | 显示全部楼层
HaleBoppComet 发表于 2015-8-27 09:54
不知道以SLS运力,能直接送往天王星和海王星入轨的探测器质量多少?

估计应该是类似卡西尼-惠更斯这样的 ...

1#的天王星轨道器方案,SEP,orbiter和entry probe的总重约合4.1t

海王星探测器和天王星探测器可以使用类似的平台,但是仪器和推进器的具体布置会有所不同,不会像旅行者1/2一样是完全“拷贝”。以1#的探测器方案为例,由于天王星是“躺”着的,UOI的过程中要保持HGA时刻对着地球,主推进器就要安装在x轴而非z轴。
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 楼主| HaleBoppComet 发表于 2015-8-28 12:37 | 显示全部楼层
本帖最后由 HaleBoppComet 于 2015-8-28 12:40 编辑
黑与白 发表于 2015-8-27 10:00
打不多少,但是显然只有SLS才能胜任



去天王星的轨道很特别 中途借力金星一次 地球两次 直到发射五年后才离开内太阳系  最后掠过土星加速 不借力木星 应该是从木星附近飞过的窗口不合适。

要飞16年(2021-2037)才能进入环天王星轨道 海王星估计至少20年以上?

天王星半长轴28亿公里,海王星45亿公里,或许接近30年才能抵达海王星都很有可能。
不过如果能实现 这也是第一次借助土星飞掠了 不知道与木星相比 加速度能比木星小多少。




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wsl2005 发表于 2015-8-31 20:21 | 显示全部楼层
NASA’s next big spacecraft mission could visit an ice giant

NASA’s head of planetary science says the agency could send a spacecraft to explore Uranus and/or Neptune, as well as their ocean moons.
http://www.astronomy.com/news/2015/08/nasas-next-big-spacecraft-mission-could-be-to-an-ice-giant

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黑与白 发表于 2015-8-31 20:58 | 显示全部楼层
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StdNormDist 发表于 2015-8-31 21:10 | 显示全部楼层
HaleBoppComet 发表于 2015-8-28 12:37
去天王星的轨道很特别 中途借力金星一次 地球两次 直到发射五年后才离开内太阳系  最后掠过土星加速  ...

用电推也许能快点?10年左右到海王星,时间跟罗塞塔号、新视野号差不多也可以接受了
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黑与白 发表于 2015-8-31 21:13 | 显示全部楼层
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NewFrontiers 发表于 2015-9-1 00:44 | 显示全部楼层
50亿公里,新视野只用了10年
 楼主| HaleBoppComet 发表于 2015-9-1 08:54 | 显示全部楼层
NewFrontiers 发表于 2015-9-1 00:44
50亿公里,新视野只用了10年

如果只是飞掠 还可以比十年更短 但只是匆匆一瞥
NewFrontiers 发表于 2015-9-2 01:22 | 显示全部楼层
HaleBoppComet 发表于 2015-9-1 08:54
如果只是飞掠 还可以比十年更短 但只是匆匆一瞥

10年之后的技术不会比新视野还差吧
本异末同 发表于 2015-9-2 02:11 | 显示全部楼层
NewFrontiers 发表于 2015-9-2 01:22
10年之后的技术不会比新视野还差吧

速度太快了,要进入环绕轨道就需要更多的推进剂用来减速。
StdNormDist 发表于 2015-9-2 16:21 | 显示全部楼层
本异末同 发表于 2015-9-2 02:11
速度太快了,要进入环绕轨道就需要更多的推进剂用来减速。

其实对于冥王星这种较小的天体来说,进入环绕冥王星的轨道反而要花更多的推进剂加速,这也是发射环绕谷神星的探测器所需ΔV较大的原因
cmj9808 发表于 2015-9-5 14:49 | 显示全部楼层

普度的方案,基于SLS blk 1B,土星引力弹弓的时候释放一个entry probe进入土星大气,类似于伽利略号。



http://www.lpi.usra.edu/opag/meetings/aug2015/presentations/day-2/18-6_hughes.pdf

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 楼主| HaleBoppComet 发表于 2015-9-5 14:55 | 显示全部楼层
cmj9808 发表于 2015-9-5 14:49
普度的方案,基于SLS blk 1B,土星引力弹弓的时候释放一个entry probe进入土星大气,类似于伽利略号。

...

2017年卡西尼结束任务 也可以直接获得相同的科学数据吧

我倒觉得直接扔一个着陆器去土卫六会不会更有意义  只是速度太快不知道能不能利用土卫六大气减速
cmj9808 发表于 2015-9-5 15:01 | 显示全部楼层
HaleBoppComet 发表于 2015-9-5 14:55
2017年卡西尼结束任务 也可以直接获得相同的科学数据吧

我倒觉得直接扔一个着陆器去土卫六会不会更有 ...

卡西尼不会“深入”土星大气,在再入早期就会烧毁,而且获得的数据也无法发回地球。
 楼主| HaleBoppComet 发表于 2015-9-23 09:20 | 显示全部楼层

冥王星:虽然我小了点 但和“特里同”不是一家人
海卫一“特里同(Triton)”与冥王星一样来自柯伊伯带,后来它被海王星俘获成为卫星,但是海卫一与冥王星拥有非常不同的表面特征,这和科学家之前的设想完全不同。

http://tech.qq.com/a/20150923/010778.htm


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StdNormDist 发表于 2016-8-29 19:08 | 显示全部楼层
cmj9808 发表于 2015-9-5 14:49
普度的方案,基于SLS blk 1B,土星引力弹弓的时候释放一个entry probe进入土星大气,类似于伽利略号。

...

Ventry=23.0km/s?而且还是天王星环绕器?这样的话减速所需的Δv可不小。如果在高度为0.1R(2556km)处减速至周期为10天的大椭圆轨道,需要的Δv≈3.0km/s(Δv1=2.7km/s减速至逃逸轨道+Δv2=0.3km/s进一步减速至大椭圆轨道)。23.0km/s的这个进入速度,如果从地球直接发射的话C3=154.67km2/s2,发射速度为16.728km/s,飞行时间6.62年
StdNormDist 发表于 2016-8-30 19:03 | 显示全部楼层
HaleBoppComet 发表于 2015-8-28 12:37
去天王星的轨道很特别 中途借力金星一次 地球两次 直到发射五年后才离开内太阳系  最后掠过土星加速  ...

如果不进行引力助推,直接转移的话,前往海王星的飞行时间可以大大小于30年

以下估计结果均假设直接转移(无引力助推),进入近星点高度0.1R(2476.4km)、周期20天的大椭圆轨道。“减速所需Δv”是指从进入海王星的双曲线轨道减速至椭圆轨道的Δv

飞行时间/年
出发C3/(km^2/s^2)
发射速度(km/s)
减速所需Δv(km/s )
备注
30.51
135.86
16.156
0.554
霍曼转移轨道
25
136.35
16.171
0.593

20
138.50
16.238
0.758

18
140.40
16.296
0.903

16
143.45
16.390
1.132

15
145.65
16.456
1.294

14
148.49
16.542
1.501
e=0.98550
12
157.15
16.802
2.113
e=1.01878
10
173.10
17.270
3.173
e=1.07842

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