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不會提供顯著回報。如果不是1970和80年代的幾次任務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上的收獲不會比幾十年前多多少。

在成功完成飛掠任務后，理應進行下一步的環(huán)繞任務，但是極端遙遠的距離帶給這種任務重大的挑戰(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)生災難性碰撞的風險很小。

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

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