-“减速伞”，太阳系行星探测的新利器，如何助力人类重返海王星？

-太空“减速带”，卫星大气层的妙用

研究者们刚刚分享了一个帮助航天器进入环海王星轨道的全新方法：利用海卫一（海王星最大的卫星）稀薄的大气层为探测器减速。


一位艺术家描绘的海王星与它最大的卫星海卫一。

(图像来源：NASA GSFC/Dan Gallagher)

唯一拜访过海王星的探测器是旅行者二号，在它1980年代那次历史性的外太阳系之旅中，只在这个神秘的世界边上逗留了几分钟。旅行者二号的发射距今已有40余年，尽管世界各地的航天机构在这段时间里研发并发射了大量探测器，着陆器和探测车，它们中没有一个到访了海王星，更别说环绕它。


行星科学家们早已对重返海王星十分感兴趣，但其遥远的距离使环绕或着陆任务近乎不可能完成。虽然2006年发射的新视野号探测器曾拜访过更远的冥王星，但只是从其身边掠过。目前人类发射的最远的轨道飞行器是卡西尼号土星探测器。


由于海王星与地球遥远的距离，想要对其进行研究十分困难。海王星到太阳的距离约为地日距离的30倍。作为对比，木星距太阳只有地日距离的5倍。一个探测器到达木星尚且需要数年，更何况数倍远的海王星。尽管旅行者二号通过保持快速飞行只花了12年到达海王星，而通常的任务不会采取这样的策略。新视野号探测器在2014年在24.5亿英里（39.6亿公里）处掠过海王星，但它从未减速。要想进入一颗行星的轨道而不减速在目前的技术条件下是不可行的。


重返海王星计划的一个问题是仅仅聚焦于那个世界的飞掠任务不会提供显著回报。如果不是1970和80年代的几次任务十分幸运地可以进行调整，我们还需要耗费更多的燃料来把探测器送去那个方向，并且我们能取得的科学上的收获不会比几十年前多多少。


在成功完成飞掠任务后，理应进行下一步的环绕任务，但是极端遥远的距离带给这种任务重大的挑战。我们目前还无法发射一个足够大的轨道器进入海王星系统，并携带足以使它在合理的时间内减速并入轨的燃料。

但是，研究者们想出了一个妙招：利用海卫一，海王星最大卫星的稀薄大气层捕捉探测器。


旅行者二号拍摄的海卫一南极冰面上由间歇泉制造的黑色斑纹（图像来源：NASA/JPL）

在预印本数据库arXiv的一篇文件中，研究者们指出在2022年，NASA成功完成了“充气式减速器的低地球轨道飞行测试（LOFTID）”。该项目的目的是研制一种充气式护盾，用于保护正在地球大气中下落的飞行器并为其减速，这样飞行器就不会在着陆时直接撞击地面。


这些研究者提议在未来的海王星探测器上应用类似于LOFTID的装置（称作减速伞），以达到减速的效果。虽然海卫一的大气压只有地球的1/70000不到，但也能有效地将探测器的速度降到能被海王星捕捉入轨的程度。而且为了校准飞行器的轨迹以将其送入最佳轨道，这个“减速伞”将可以改变角度。

为了达到效果，探测器将必须下降到距海卫一表面6英里（10km）左右的高度。这只略高于一般的洲际航班飞行高度，但海卫一没有高耸的山脉（已知最高的山峰只有1km高），所以发生灾难性碰撞的风险很小。


相似的想法，如利用土卫六（泰坦）使一个带有减速伞的探测器进入土星轨道也曾被提出，但泰坦拥有浓密的多的大气层，使这项计划十分容易。虽然海卫一的大气非常稀薄，但它距海王星相对更远。换言之，探测器在此处相对更慢，也就不需要将速度下降那么多（以被海王星的引力捕获）。


研究者们估计，在使用“减速伞”技术的情况下，去往海王星的旅程只需15年。这远短于目前任何其它方案所需要的时间，因为如果使用当前方案，探测器需要携带如此之多的燃料用于减速，以至于它将无法达到很高的速度。这个新方案还有额外的好处：它将近距离探测海卫一这个可能来自柯伊柏带的太阳系中最奇特的天体之一。我们将能从距海卫一地表几公里处的绝佳位置进行观察，从而带给我们许多十分有价值的信息。

BY: Paul Sutter

FY: Torreya

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