仔细观察天琴座项目

一天中的好时机，Giktayms！

昨天我发表了文章“ 赶上Oumuamua！项目“里拉 ”，当我开始阅读报告“天琴座项目：向1I /'Oumuamua（前身A / 2017 U1）发送航天器”时，我在其中提到了星际小行星事实证明，为了更好地理解它，有必要对其进行翻译。 我从最美味的第三部分开始，“ 3。 “概念和技术”，在进行翻译时， 旅行者1号的丹尼斯·尼尔科夫（Denis Nyrkov）给我写信说，他刚翻译了本文的开头。 因此，我们三个人一起克服了这项任务。 第三位参与者是Google翻译。 老实说，没有他的参与，我根本不会理会这篇文章。

链接到先前的有关ʻOumuamua绰号为akurilov的受尊敬的成员的文章 ：

1） 与ʻOumuamua约会。 太阳系中的第一个星际物体
2） 第一个开放的星际物体竟然异常
3）我在“ Lear项目”上的评论文章- 跟上ʻOumuamua！ 项目“里拉”

括号中的斜体字是我的。 故意保留来源列表，并添加注释。 因此，查找来源将更加容易。 将来，我计划进行几种翻译，例如：“ Lyra项目00的近距离观察”，如果有人要加入的话，请从列表中获取零，而不是零。 另外，一切都像生活中一样，现在是空的，现在是厚的。 我想发表有关“月亮村”的新出版物，因为这里有实际的新闻和有趣的信息。 这实际上是整个序言。

李尔（Lear）的项目：将装置发送到小行星“ Oumuamua”（原A / 2017 U1）

安德烈亚斯·海因（1），尼古拉斯·佩拉基斯（1），开尔文·F·朗（1），亚当·克劳（1），马歇尔·尤班克斯（2），罗伯特·肯尼迪三世（1），理查德·奥斯本（1）

1） 星际研究计划 ，英国磨坊，新街，骨头磨坊，GL12 8ES，英国
2） Asteroid Initiatives LLC

注解

Oumuamua（以前称为A / 2017 U1）是我们太阳系中发现的第一个经确认的星际物体，这使我们有机会直接研究另一个恒星系统中的物质。 是否可以拦截该物体？ 由于其大的过双曲线速度 （速度减去第三空间速度 ）约为26 km / s，因此很难在合理的时间内到达目标，这比当前运行的任何车辆都要快得多。 本文对这种任务在不久的将来的可能实现进行了高层分析。 发射具有可接受的5-10年任务准备程序的设备时，分别需要30至5年的任务持续时间，才能使双曲线速度达到33至76 km / s。 不同的任务持续时间和速度需要考虑发射日期进行估算，这表明对单次冲动的拦截轨迹的结论。 概述了几种技术可能性，包括使用化学引擎在太阳附近进行的Obert机动 （ 或 重力机动 ），以及使用太阳帆或激光帆的更高级的可能性。 为了使飞行任务的科学成果最大化，由于在高速飞行中科学产率较低，因此非常需要在Oumuamua放慢速度。 结论是，尽管实现该目标是一项技术挑战，但其实现被认为对于已经存在或将在不久的将来出现的技术是可行的。

1.简介

2017年10月19日，夏威夷大学使用了Pan-STARRS望远镜网络的数据发现了地球附近的物体，该网络最初名为A / 0217 U1，但后来更名为Oumuamua。 人们发现，这个物体的无限远速度（相对于太阳）约为26 km / s，它与太阳系无关，而是从靠近天琴座（相对于行星运动所在的平面）的天琴座来到我们的。 由于他在接近太阳时没有尾巴，因此该物体看上去并不像彗星，因此被认为是小行星。 帕洛玛天文台后来的观测表明，该物体具有微红色的色调，类似于来自柯伊伯带的物体的颜色[3]。 它看起来像宇宙侵蚀的迹象。 在[2,4]中分析了它的轨道特性。

目前，人们对这类物体进入太阳系的频率了解甚少。 由于``Oumuamua是最接近的星际物质的宏观样本（ 我们正在谈论所谓的 银河射线 ），可能在太阳系的所有物体上都有独特的同位素印记，因此难以评估从获得此类物体的样本得到的科学结果。 即使正在大力发展“ 突破星空”项目，也可能不早于数十年后就星际距离进行星际物质的详细研究。 因此，一个非常有趣的问题是，是否有可能利用这种独特的机会将航天器送往Oumuamua进行研究。

星际研究倡议 组织 （ 2012年在英格兰成立的非营利组织 ）或简称i4is，于10月30日宣布了一项李尔项目，旨在回答这些问题。 该项目的目的是评估在不远的将来使用当前和预期的技术执行“乌穆阿穆阿”飞行任务的可能性，并提出实施飞行任务或与该小行星会面的任务概念。 挑战很复杂：根据目前的估计，Oumuamua的双曲线速度过高，为26 km / s。 这远远超过了人类目前向太空发射的任何物体。 Voyager-1（旅行者1号）是人类创造的最快的物体，其超速为16.6 km / s。 由于ʻOumuamua已经离开了太阳系，将来发射的任何车辆都必须赶上这颗小行星。 但是，除了对获取有关该物体的数据的科学兴趣外，其实现本身的任务还可以推动现代太空技术的发展。 因此，李尔的项目不仅从科学的角度对此问题感兴趣，而且从技术挑战的角度也很有趣。 图1显示了Lear项目的徽标：


本文介绍了Oumuamua各种任务概念的初步分析结果。

2.轨迹分析

给定双曲线的过剩速度及其相对于太阳系黄道的倾斜度，要回答的第一个问题是到达目标所需的速度增量（DeltaV），这是推进系统设计的关键参数。 显然，较慢的航天器要比较快的航天器晚到达物体，这将导致行程时间和所需的DeltaV之间的折衷。 另外，航天器发射越早，行程的时间越短，因为物体的距离随时间增加。 但是，未来5年的发布日期可能是不现实的，如果需要新技术，甚至10年也很难。 因此，第三个基本折衷是在开始日期和行程时间/特征能量C3之间。 特征能量是双曲线多余速度的平方，可以理解为相对于太阳的无限远处的速度。 这些权衡在图2中固定。该图表示??。 与任务持续时间和发射日期有关的发射的特征能量。 假设脉冲发电厂的牵引时间相当短。 不假设行星或太阳飞行，只能直接发射到物体上。 您可以看到至少有C3，约为26.5 km / s（703 km ^ 2 / s ^ 2）。 但是，当启动日期结转时，此最小值会迅速增加。 同时，更长的任务会导致所需C3的减少，但是还需要与距太阳更远距离的小行星会面。 探测器的实际发射日期将在未来至少20年（2027年）。 在这一点上，双曲线的超速已经是37.4 km / s（1400 km ^ 2 / s ^ 2），飞行时间约为15年，这使得在没有行星跨度的情况下进行正常发射极其困难。



图2：相对于任务持续时间和发射日期的C3特征能量。

除了发射时的双曲线超速外，还应考虑碰撞时相对于小行星的超速（V∞，2），因为它决定了可能的飞行任务类型。 相对于小行星的高过剩速度减少了飞行时间，但也减少了星际物体附近可用于观测的时间。 另一方面，V∞的低值2甚至可能允许通过脉冲或小动作过渡到小行星周围的轨道，以减慢探测器的速度。 到达时的超速显示在图3中，具体取决于发射日期和飞行持续时间。 速度曲线的变形归因于地球围绕太阳的轨道，这导致向物体发射的位置或多或少是有利的。 您可以看到，最小超速约26.75 km / s表示将于2018年发射，飞行时间超过20年。 这个过高的速度值不会阻止其绕入Oumuamua的轨道。 但是，此最小值在以后的发布日期迅速增加。 探测的实际发射日期将是未来的5到10年（从2023到2027）。 此时，飞行30到5年的飞行所需的双曲超速速度为33至76 km / s。 这些数值远远超过了化学和电力推进系统目前减速并进入'Oumuamua'轨道的能力。



图3：相对于飞行时间和发射日期的双曲线超速

图4显示了航天器将拦截物体的大致距离。 对于2027年或更晚的实际发射日期，航天器会飞过一个物体，该物体与地球的距离为100到200 A，这与今天到旅行者探测器的距离相似。 在这样的距离下，很明显，电源和通信正在成为一个问题，并且需要诸如RTG之类的核动力源。



图4：发射日期和任务持续时间。 颜色代码表示航天器发射物体的距离

图5显示了具有2025年发射日期的样本轨迹。 在图的右下角，地球的轨道可以看作是围绕太阳的微小椭圆形（表示为黑色圆圈）。 小行星和航天器的轨迹几乎是笔直的。



图5：2025年发射的航天器轨迹和2055年与1I /'Oumuamua会面的示例

另一个建议不是追逐“ Oumuamua”，而是为下一个星际物体穿透我们的太阳系做准备，这是发展迅速向该物体发射飞船的手段。

分析了两种情况：首先，任务只有短短的一年，这将导致从太阳到5.8 AU的会议。 但是，所需的双曲线超速可以达到约20 km / s的速度。 最后，由于碰撞角度的原因，相对于小行星，预计会有很高的速度，达到13.6 km / s，如图6所示。



图6：2017年启动并于2018年召开会议的轨迹

图7显示了在相同发射日期但持续时间为20年的任务。在碰撞中，航天器相对于物体的相对速度相对较小（在这种特殊情况下约为600 m / s），这可能是减慢机动并转移到轨道的机会。 'Oumuamua附近。



图7：2017年发射和2037年会议的轨迹

总而言之，实现“ Oumuamua”的难度取决于发射，双曲线的超速和任务持续时间。 未来的任务开发人员需要在这些选项之间找到适当的权衡。 对于5-10年内的实际发射日期，双曲线超速是从33到76 km / s，其相遇远远超出了冥王星的轨道（50-200 ae）。

3.概念和技术

如上所示，对“ Oumuamua”的实际发射日期（接下来的5-10年）的追求对于现代太空系统来说是一个严重的问题。 例如，使用太空发射系统（SLS）可以实现发射架构，这将简化任务开发。 但是，其他发射提供商在未来几年中也将提供有希望的机会。 潜在的可能性之一是使用SpaceX Big Falcon（BFR）火箭，在太空中为高层加油，发射日期为2025年。 为了达到所需的双曲线过量（至少30 km / s），需要木星的立交桥与太阳附近的近距离通道（最高3太阳半径）结合使用，绰号为“太阳炸鱼”。 这种操作也称为“环绕操作” [5]。 该架构是由凯克太空研究所（KISS） [6]和喷气推进实验室（JPL） [7]提出的，用于研究星际小行星。 但是，BFR的使用消除了为产生进入木星轨迹所需的动量而进行的众多引力操纵的需要。 取而代之的是，通过直接发射具有多个助推步骤的探测器（ 从高度椭圆形的近地轨道（高度偏心地球轨道，HEEO（ ）），您可以以10 km / s的速度进行18个月的木星飞行及其引力操纵，然后进行太阳飞行（这是改变黄道面所必需的。）当设备打开其固体推进剂发动机时，多层隔热层将保护其免受太阳辐射的侵害，并在轨道的近日点上施加较大推力（需要最大推力才能使Obert效应最大化）。 来自凯克太空研究所（KISS）的星际介质显示，如果该设备在2025年发射，那么到2039年，利用现有技术可以达到70 km / s的速度，并以85 AU的距离拦截一个物体。它们可使任务以40 km / s的速度完成任务，并在2051年以155 AU的距离截获物体。在高进近速度下，该设备将发射一个撞击探针，该探针应产生大量的气体云，这对于进行以下研究而言可能是一个严肃的选择 将小行星放在光谱仪上。”

以上架构强调的是紧迫性，而不是最佳实践。 使用更先进的技术，例如太阳帆，激光帆和激光电动机芯，可能会为'Oumuamua'的飞越或会合开辟更多机会。 以下是对太阳和激光航行任务的一阶分析。

对于使用太阳帆的任务，应该考虑3到4年的发射时间从地球轨道发射。 速度要求为〜55 km / s，这表示任务的轻度因子为0.15，特征加速度为0.009 m / s ^ 2。 这就要求帆上的特定载荷约为1 g / m ^ 2，轻载的现代材料可以达到0.1 g / m ^ 2。 鉴于此，对于不同质量的航天器，假设航行载荷最高为1 g / m ^ 2，则得出圆形和方形航行帆船的表1中所示的值。



表1：太阳帆相对于航天器质量的参数
飞船质量[kg]航行面积[m ^ 2] Ci

最实际的项目是在4年后下水，该船的质量为1公斤及以下。

基于Stars Starshot Breakthrough Initiative技术[8-10]的基于航行激光的任务将使用2.74 MW激光束，并以55 km / s的速度进行全探头加速，并在3.5年内发射（2021） ，用重约1克的探针加速3,000。 他将在大约7年后到达'Oumuamua。 使用27.4 MW的激光，可以分散10克探针。 通过使用各种任务架构，更低的加速速度和更长的飞行时间，甚至可以实现更大质量的航天器。但是，使用这种激光束基础结构，可以发送数百甚至数千个探针，如图8所示。这种使用大量探针的分布式体系结构将允许在更大的搜索量上收集数据，而没有对单个整体航天器的限制。



图8：激光帆群（

Streian and Peck [11] ）提出的另一个概念是将ChipSats送入木星磁层，然后利用洛伦兹力将其加速至3000左右的极高速度km / s [12,11,13]。但是，控制这些探针的方向可能不是一件容易的事。

一个重要的结果是，在创建了“野兽计划” Starshot运营基础结构之后，即使规模很小，也可以在短时间内启动飞行穿过太阳系的星际物体的任务，这可以证明该基础结构的发展合理。这种架构的主要优点是对异常机会的响应时间短。这种基础设施的选择成本将证明投资是合理的。

关于工厂的减速，例如，您显然可以使用现有的推进系统。尽管受到RTG作为能源的低比功率的限制。 （尚不清楚为什么不将核反应堆视为能源。）有必要探索更先进的技术，例如磁帆[14,15]，电帆[16]和后来的磁层制动系统[17]，其间隔在距日球层后方的距离进入原始星际介质（Interstellar Medium，ISM）。目前，这些更先进技术的技术成熟度较低，这取决于超导材料生产的突破，但是它们会使科学回报倍增几个数量级。

物体的小尺寸及其低的反照率使它再次进入深空后很难观察到。这带来了一个重大的导航问题，即要获得一个相当准确的“ Oumuamua”方向，以便更接近对象以收集有用的数据。由于这种具有未知轨迹的物体的位置不确定性，应该使用可覆盖较大面积的探针群来研究分布式任务的项目。

4.结论

发现拜访我们太阳系的第一个星际物体是令人兴奋的事件，并且可能是一生甚至几生的机会。为了评估实现该设施的可行性，i4is最近启动了Lyra项目。在本文中，我们确定了实现'Oumuamua'的关键目标，近似的任务持续时间和必要的双曲线超速，具体取决于发射日期。无论如何，物体的任务将扩大当今技术上可能的范围。使用传统化学力系统进行的任务在木星飞越进行重力操纵并靠近太阳附近的通道时是可行的。如果使用正确的材料，您还可以使用太阳能或激光帆技术。

我们的分析的重要结果是，Starshot项目“突破性倡议”中激光束基础设施的巨大价值在于可以灵活地快速应对未来的突发事件，例如，向下一个对象发送大量探针，类似于“ Oumuamua”。如果现在有这样的基础设施，拦截任务将在一年之内到达'Oumuamua。

天琴座项目下的未来工作将集中在对特派团的各种概念和技术进行更详细的分析，以将其数量减少到2-3个有希望的选择，以进行进一步的发展。


对于首次发布的监督，我深表歉意。