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以人类目前科技水平,100 年内能否可以发射人造物体进入冥王星轨道? 第1页

  

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现有的科技水平大概率是不能的......(其实主要是钱上不能)

根据坎巴拉太空计划RSS(真实太阳系)MOD的DV图,从近地轨道到冥王星转移轨道需要大约17.4km/s的DV(速度增量)

而从冥王星转移轨道到进入冥王星100km圆轨道只需要3km/s的DV,如果把轨道放宽到大椭圆轨道则则只需要2.7km/s的DV

实际上人类发射的航天器早就可以进入太阳的双曲线轨道,需要的DV实际更高,因此从DV上来说不存在技术问题

真正的问题是时间

以上的计算都是最低能量,也就是霍曼转移的方式进行。所谓霍曼转移就是从与地球轨道外切的方式发射,以与冥王星轨道内切的形式转移。实际上走的是一个大椭圆轨道,如下图:

蓝色是地球轨道,黄色是冥王星轨道,红色是探测器的霍曼转移轨道

根据开普勒第三定律,绕以太阳为焦点的椭圆轨道运行的所有行星,其各自椭圆轨道半长轴的立方与周期的平方之比是一个常量。

地球轨道半长轴大约是1.5亿公里,运行周期约为1年,以此为基准我们可以粗略估计探测器的飞行时间:

对于探测器来说,近日点显然是地球轨道,越1.5亿km,远日点如果是冥王星的近日点的话(时间最短)是44亿km,显然可以估算出探测器的轨道半长轴大约为22.7亿km。

根据开普勒第三定律,可以计算得到,轨道周期:

霍曼转移在最理想条件下需要半个轨道周期,也就是探测器需要飞行大约30年。

而当冥王星出在远日点的时候,探测器需要飞行大约63年,估摸着没几个工程师敢拍着胸脯说自己的东西在太空能坚持30年甚至60年吧......

很不幸......现在冥王星正在向远日点运动之中......偶对了,冥王星的轨道周期是248年......

双曲线轨道的优势

所以,飞向太阳系边缘的探测器,普遍采用的是双曲线轨道,并且尽量借助引力弹弓加速。这样的好处是飞行时间短得多,坏处就是要从双曲线轨道减速进入环绕轨道需要的DV远高于霍曼转移。

比如新视野号只用了不到10年就飞到了冥王星,但是代价是在飞掠冥王星时相对冥王星速度超过了13km/s......

要知道冥王星的逃逸速度(第一宇宙速度)是1.2km/s,即使是擦着地皮变轨.....也需要超过11km/s的DV,这个速度都快够从地面奔月了......

所以还是等核推吧......

不过新视野号提供的信息:冥王星有大气层,这样的话为气动减速提供了可能。不过冥王星的大气层很可能是温度依存的,也就是在近日点的时候大气比较多,远日点可能就没了。那样估摸着还是在近日点进行气动减速的好......但是这样好等接近200年.....

另外一点,其实这个不能主要还是钱上不能,毕竟对接技术啥都成熟了,不惜代价送上去肯定还是可行的,就是金主难找......


user avatar   ncc21382 网友的相关建议: 
      

由于已经先后有5个人类航天器飞的比冥王星还远甚至直接飞越冥王星——新视野号。所以我想题主问的是人类能不能发射物体环绕冥王星,也就是轨道器或者说环绕器?这个虽然因为目前火箭运力限制很困难,不过通过技术创新和用更大更强的火箭当然能在几十年内实现。NASA还真有冥王星轨道器的方案,其中甚至考虑过着陆以及在冥王星表面像无尾目两栖动物一样跳跃好考察多个地点。

首先这是2017-2018年的NASA创新先进概念研究项目之一冥王星三级跳跃探测器,依靠直径70米的巨型气球在冥王星稀薄的大气层中辅助减速,然后启动主推进系统进一步让探测器被冥王星引力捕获并且最终着陆。当时认为如果立项、钱给够能2029年发射,不需要等百年。

新视野号探测器拍到的冥王星大气

着陆器本身质量大约200千克,减速系统质量大约400-700千克。可以用宇宙神551+Srar 48V固体燃料火箭上面级发射,不需要更大的SLS。着陆后使用剩余的推进剂启动推进系统跳跃飞行考察不同地点。

发射新视野号冥王星探测器的宇宙神551运载火箭
Star 48V固体燃料火箭上面级
冥王星跳跃探测器飞行轨迹预想图
冥王星跳跃探测器再入冥王星大气着陆模拟示意图,注意用80米直径阻力减速气球
冥王星着陆-跳跃器概念设计示意图

有人可能说这是着陆、跳跃器,那轨道器或者说环绕器能不能用冥王星大气阻力减速入轨?当然可以。只不过减速后会进入椭圆轨道,需要启动发动机圆化轨道进入科学轨道。

使用气球减速技术的冥王星轨道器减速入轨示意图

可能有人会说美俄关系不好要停供RD-180发动机了宇宙神5没法用了那即使立项了也要泡汤,撇开SpaceX的重型猎鹰、蓝色起源的新格伦以及巨大的SLS、军方御用的德尔塔四重型版不说,明年就要发射的火神(ST粉也可以叫其为瓦肯,毕竟都是Vulcan)运力比宇宙神551强很多。

注意重型火神-半人马的月球转移轨道运力几乎是宇宙神551的2倍,如果捆绑2个核心级同时把半人马上面级换成还没开发好的先进低温上面级,那运力增长可想而知是宇宙神5无法企及的。

官方也说了火神火箭能去冥王星

除了激进冒险的冥王星气动俘获方案外NASA还有更加稳妥细致的保守型冥王星轨道器方案。

去年NASA提出了一个冥王星系统轨道器及任务后期离开冥王星系统探索柯伊伯带天体的计划。这次是用SLS-Block 2在整流罩里额外加上半人马上面级来发射,豪华多了。如果立项那在2031年发射、2032年飞掠木星来引力加速、途中会飞越其他柯伊伯带天体,2058年抵达冥王星系统,环绕冥王星进行至少9年的详细科考任务。然后离开冥王星系统最晚于2069年遭遇探测其他科伊伯带天体,目前考虑目标中最大的是直径600千米的(470308) 2007 JH43,可能也是矮行星毕竟个头那么大,其轨道也和冥王星相对接近。

整个任务结束也要2070年代以后了。不知道那时现在的知乎大V还有几个活奔乱跳,也不知道中英大赛决出胜负没。

冥王星-柯伊伯带探测器航行轨迹示意图
跳票狂魔SLS不同型号示意图
著名的半人马上面级
冥王星系统轨道器-柯伊伯带探测器示意图

和其他探测器不同的是这个冥王星系统-柯伊伯带探测器使用放射性同位素热发电机带动3台XR-5静电网格离子推进器来作为主推进系统,当然还有化学燃料的姿态控制系统发动机辅助。探测器本身干质量2076-2699千克,装备了11种科学仪器,携带了3512-3756千克氙气、100千克肼。总发射质量6277-6844千克,这个比卡西尼-惠更斯土星探测器的5712千克还重多,也超过了5000千克的天问1号组合体。

探测器的科学目标聚焦在探测冥王星目前是否还有冰下液态水海洋、冥王星和冥卫一的内部结构是什么情况、冥王星是如何演化的等。由于为了节省推进剂和任务整体考虑、还有数据传输带宽等,所以对冥王星表面成像分辨率大约是50米/像素,比不上火星的但已经很不容易了。

由于冥王星和冥卫一可以说是双矮行星系统,互相围绕的质心不在冥王星内,冥王星系统还有其他几颗不规则卫星,所以探测器设计了非常复杂的轨道来兼顾这些高价值目标,不像火星探测器那样专一,自然无法在比较低的轨道上专心科考,上图是部分轨道在冥王星和冥卫一上投影示意图,可见轨迹本身和轨道高度。下图是轨道规划设计,可以说是玩引力的游戏非常复杂。

下表可见这个冥王星-柯伊伯带探测器成本预计为2,871,651,000美元,比卡西尼号的27.98亿美元略贵,而伽利略木星探测任务最贵倒是我意想不到的,大概是因为反复跳票加上用昂贵的航天飞机发射等吧。总体上NASA旗舰级深空探索任务平均花费31亿美元。

好久没写这样的科普了,因为最近状态很不好就没精力细说了,不过对多数人科普而言这点也够了。




  

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