Warum werden Sonden, die dazu neigen, das äußere System zu erkunden, immer nach außen gestartet, anstatt direkt nach oben oder unten?

Werfen wir einen Blick auf die Flugbahn verschiedener Sondenmissionen.

Flugbahn der Variety Probe-Mission New Horizons und Ultima Thule werden 4,1 Milliarden Meilen entfernt sein, wenn sie das Kuipergürtel-Objekt besuchen. Dieses Diagramm zeigt den Weg von New Horizons im Vergleich zu anderen Sonden, die das Sonnensystem verlassen haben. Bildnachweis: NASA/Labor für Angewandte Physik der Johns Hopkins University [ 1 ]

Ich frage mich, warum all diese Sonden, die dazu neigen, das äußere System zu erforschen, gestartet wurden, um außerhalb der Ekliptikebene zu fliegen, anstatt nach oben oder unten zu fliegen? Worüber ich hier spreche, ist nach oben oder unten zu gehen, was deutlich näher an 90 Grad liegt. Mir wurde gesagt, dass die Ekliptikebene jedes Sonnensystems dazu neigt, relativ gleichförmig zu bleiben, wobei nur Kuiper Belt Objects (KBOs) bizarre Neigungen aufweisen. Das Nächste, was wir "unter" der Erde finden würden, wäre ein Objekt der Oortschen Wolke oder ein äußeres Sternensystem, ist es richtig, das zu sagen? Was würden wir finden, wenn wir gerade nach oben und nach unten gehen?

Sehenswürdigkeit

1 Nola Taylor Redd, Space.com-Mitarbeiterin, 2. Januar 2019, New Horizons der NASA hat gerade den am weitesten entfernten Vorbeiflug in der Geschichte des Weltraums geschafft. Was kommt als nächstes?

Die interessanten Dinge liegen mehr oder weniger in der Ebene der Ekliptik.
Warum sollten wir das wollen? Welches Ziel wollen Sie damit erreichen? Was ist Ihrer Meinung nach der Hauptzweck einer solchen Mission? Was sind/waren Ihrer Meinung nach die Hauptzwecke der Missionen, nach denen Sie fragen? Wie wären diese durch die Verwendung einer Flugbahn erfüllt worden, die nicht in der Ekliptik lag?
@Makyen, du könntest genauso gut fragen, warum sollten wir das nicht wollen? Es gibt viele gute Gründe dafür, und im Geiste der gestellten Frage, warum haben wir nicht mehr Missionen außerhalb der Ekliptik durchgeführt?
@Dave Nein, das ist keine so einfache Frage, nicht einmal annähernd. Wir haben keine unbegrenzten Ressourcen. Die Anzahl der Missionen ist nicht unbegrenzt. Es muss einen Grund geben, etwas zu tun, und dieser Grund muss wichtiger sein als alle anderen Projekte, die um die begrenzten verfügbaren Ressourcen konkurrieren.
Sie würden einen Haufen Nichts finden und dann das gesamte Budget Ihrer zweiten Stufe (wahrscheinlich mehr) für eine Neigungsänderung von 90 Grad ausgeben müssen, oder weiterhin nichts finden, was Voyager 1 nicht bereits hat. Mit 90 Grad Neigung gestartet, das einzige, was Sie tun können, ist, so weiterzumachen.
Sonden erkunden nicht. Sie werden geschickt, um Nahaufnahmen zu machen.
@Makyen, ja, das sind in der Tat sehr einfach zu stellende Fragen. Sie schreiben ganze Bereiche der Raumfahrt und der Astrophysik mit einer sehr kurzsichtigen Vision ab, ähnlich dem Witz über den Betrunkenen, der unter der Straßenlaterne nach seinen Schlüsseln sucht . Ich stimme zu, dass es einen Grund geben muss, und es gibt viele magnetosperhische und astrophysikalische Gründe, die Sonne außerhalb der Ekliptik zu umkreisen; Sie sind für Sie vielleicht nicht von Interesse, aber für das Verständnis unserer Sonne und unseres Sonnensystems von großem Interesse.
Ein Oori-Wolkenobjekt zu finden, wäre sowieso unmöglich. Die Oortsche Wolke soll riesig sein, Voyager 1 würde sie in etwa 300 Jahren erreichen. Aber es wird mindestens 250 Jahre ohne Strom sein. Der Sender würde etwa 2 kW statt 20 W benötigen, um eine so große Distanz zu überbrücken. Auf der Erde bräuchten wir etwa 2 MW statt 20 kW. In der Wolke aus kleinen und spärlichen Objekten und dem sehr schwachen Sonnenlicht ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, dass eine Sonde nichts finden würde.
Sie haben ein seltsames Konzept von "oben" und "unten".
@Dave Sie lesen mehr in meine Aussagen hinein, als ich tatsächlich gesagt habe, und gehen davon aus, dass ich eine Position innehabe, die ich nie behauptet habe. Ich habe dem OP Fragen gestellt, die darauf abzielen, diese Frage zu klären, indem das OP die Annahmen/Denken dahinter formuliert hat. Ich habe weder die breite Öffentlichkeit gefragt noch behauptet, dass es keine Gründe für Missionen außerhalb der Ekliptik oder irgendeine Art von Mission gibt. Ich bat das OP zu erklären, warum sie der Meinung waren, dass diese Missionen nicht in der Ekliptik hätten sein sollen. Sie haben geantwortet, als seien die Kommentare hier für allgemeine Diskussionen bestimmt. Sie sind nicht. Sie dienen der Klärung von Fragen und Antworten.
Beachten Sie, dass einige Sonden nach innen statt nach außen gestartet werden (z. B. cassini )

Antworten (6)

Ausgehend von der Erde hat man die freien 30 km/s der Erdbewegung um die Sonne, die in der Ebene der Ekliptik liegt. Um weit aus dem Flugzeug herauszukommen, müssen Sie entweder einen ähnlichen Betrag "nach oben" oder "nach unten" treiben (was die Fähigkeiten aktueller Raketen übersteigt) oder über einen der Gasriesen gehen und seine Schwerkraft nutzen, um den Kurs zu ändern. So hat man zumindest am Anfang keine wirkliche Wahl.

Ein Beispiel für die Verwendung eines Gasriesen zum Wechseln der Ebene war die Ulysses-Sonde , die, obwohl sie nur knapp in das äußere Sonnensystem eindrang, in einer Umlaufbahn von fast 90 Grad zur Ekliptik (tatsächlich 80,2 Grad) kreiste, um einen Blick darauf zu werfen am Nord- und Südpol der Sonne und die von ihnen ausgehende Strahlung und Magnetfelder.

Wir hatten bisher 5 Vorbeiflug-Missionen zum äußeren Sonnensystem. Alle von ihnen hatten primäre Missionen auf einem oder mehreren Planeten. Das legte die Hauptbeschränkungen für ihre Flugbahnen fest. Alles nach der letzten planetaren Begegnung war zweitrangig.

Für Voyager 2 zum Beispiel zielte der Neptun-Vorbeiflug auf eine enge Begegnung mit Triton ab, was die möglichen Austrittsflugbahnen reduzierte:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Sie sehen auch, dass Voyager 2 jetzt einen signifikanten Winkel relativ zur Ekliptik hat.

Die Anderen:

  • Voyager 1 hatte Saturnmonde zu besuchen
  • Für die Pioniere wurde, glaube ich, überhaupt keine interstellare Mission in Betracht gezogen
  • New Horizons musste an Pluto vorbeifliegen, also war es auf Plutos Flugzeug beschränkt (Pluto ist nicht groß genug, um den Kurs von NH signifikant zu ändern).

Was würden wir finden, wenn wir gerade nach oben und nach unten gehen?

Außerhalb der Ekliptik gibt es fast keine interessanten Ziele. Wir können keine Planeten oder andere Körper besuchen, bis Sie die Oortsche Wolke erreichen, die 1000 AE entfernt ist (10x weiter als die Voyager jetzt nach über 40 Jahren Reise). Der einzige Grund, eine Trajektorie senkrecht zur Ekliptik zu wählen, ist, einen weiteren Messpunkt für den Sonnenwind zu haben. Aber eine ganze Mission zu 100 AU nur dafür auszugeben, wäre teuer für eine sehr begrenzte Rendite.

Eine Studie für eine interstellare Mission ist im Gange, aber auch diese soll einen KBO-Besuch beinhalten, sodass sie auf die Ekliptik beschränkt sein wird.

Sind es wirklich nur Sehenswürdigkeiten? Wäre es nicht schwieriger, eine Sonde entlang der Achse senkrecht zur elliptischen Ebene zu schicken?
Ein bisschen, aber nicht viel, würde ich erwarten. Sie führen eine Schwerkraftunterstützung bei Jupiter durch und verwenden dann Saturn, um die Sonde aus der Ekliptik heraus zu richten.
Ein sehr interessantes Ziel außerhalb der Ekliptik ist ʻOumuamua .
bei 26 km/s wird es schwierig sein, Oumuamua mit der aktuellen Technologie einzuholen.
In der Tat herausfordernd! Ein Artikel über die Jagd nach 'Oumuamua . Beachten Sie das extreme Manövrieren auf Seite 9. Raus zum Jupiter, schwingen Sie herum, um im Grunde in die Sonne zu fallen, machen Sie einen extra nahen Vorbeiflug und zünden Sie einen schweren Booster am Perihel. Dann geht es nach außen und "oben", um die Zigarre und das möglicherweise zusammengebrochene außerirdische Lichtsegel zu holen. (Obwohl es wirklich ein leichtes Segel ist, wäre es das heruntergelassene Verzögerungssegel und der wahre Spaß beginnt in etwa 100 Jahren, wenn die tatsächliche Nutzlast ankommt. Wo ist Larry Niven?)

Es ist wichtig zu wissen, dass Raumsonden nicht wirklich nützlich sind, um Objekte im Weltraum zu finden . Der Weltraum ist so leer, dass eine Sonde, die in eine zufällige "Erkundungsrichtung" geschickt wird, eine vernachlässigbare Chance hätte, ein Objekt zu entdecken, das die Sonne umkreist. Der beste Weg, Objekte außerhalb der Ekliptik zu finden, besteht darin, sie mit wirklich großen Teleskopen auf der Erde oder im Orbit zu suchen. Und da draußen scheint es nicht viel zu geben.

Alle Sonden auf ihrem Weg aus dem Sonnensystem sollten aktuelle oder ehemalige Planeten erkunden, die alle nahe an der Ebene der Ekliptik liegen. Das ist wirklich der Grund, warum sich die Sonden in der Nähe dieses Flugzeugs befinden.

Es wäre interessant, die weit entfernten Bereiche der Magnetosphäre der Sonne in verschiedenen Richtungen zu untersuchen, aber es wurde als nicht der Mühe wert erachtet.

Schließlich ist es einfacher , Sonden innerhalb der Ebene der Ekliptik auszusenden, weil wir die Bewegungen der Planeten nutzen können, um einen Geschwindigkeitsschub zu geben. Die Erdbewegung von etwa 30 km/s ist ein netter Anfang, aber es ist nutzlos, wenn Sie direkt auf den Nordpol der Ekliptik zusteuern. Und Sie können die äußeren Planeten nicht als Gravitationsschleudern verwenden, wenn Sie sich senkrecht von ihnen entfernen. (Sie können eines verwenden, um Ihr Fahrzeug aus dem Flugzeug zu steuern, wie @Organic Marble darauf hingewiesen hat, dass es von Ulysses getan wurde, aber das opfert den Geschwindigkeitsschub, den Sie von diesem Planeten hätten bekommen können.)

Deine letzte Aussage ist falsch. Die Ulysses-Mission benutzte Jupiter, um die Ebene seiner Umlaufbahn aus der Ekliptik heraus zu ändern. en.wikipedia.org/wiki/Ulysses_(spacecraft)#Jupiter_swing-by
Ich denke, die letzte Aussage bezieht sich auf die Unterstützung, die wie cos theta der Neigungsänderung ist: plus oder minus ein Maximum in der Ebene, das auf Null fällt, wenn es vollständig außerhalb der Ebene liegt.

In der gleichen Ebene wie die Planeten des Sonnensystems zu bleiben, erlaubt es uns, sie für den Antrieb durch ein Schleudermanöver zu nutzen. Tatsächlich hat diese Wikipedia-Seite sogar GIFs, die die Voyagers als Beispiel zeigen, also macht es wohl wenig Sinn, hier ins Detail zu gehen: https://en.wikipedia.org/wiki/Gravity_assist

Aber im Grunde gibt es keinen Grund, solche Manöver nicht zur zusätzlichen Beschleunigung zu nutzen, und wie bereits erwähnt, würde eine Fahrt senkrecht zur Ebene Antriebssysteme erfordern, die wir (noch) nicht haben. Selbst wenn wir eine solche Technologie hätten, gibt es trotzdem keinen Grund, diese kostenlose Energie nicht zu nutzen, da diese Sonden kein bestimmtes Ziel haben.

Ein separater Punkt - es gibt einen gewissen Zirkelschluss.

Die Menschheit kann nicht viel Interessantes außerhalb der Ebene sehen, aber nahe genug, um es zu besuchen, also gehen wir nicht dorthin, wenn es weitaus größere und aufregendere Dinge in / in der Nähe der Ekliptikebene gibt.

Das Ergebnis ist also, dass wir nicht genauer hingeschaut haben. Sonden kosten Geld und ohne definierte Missionsziele, die einen nützlichen Zweck aufweisen, fließt das Geld in die interessanteren Vorschläge.

Wer weiß, was die Wissenschaft lernen könnte, wenn sie eine generische Sonde direkt nach oben oder unten schießt?

Antworten Geld zu finanzieren ist einfacher, wenn es einen interessanten Zweck gibt.

Oben/unten könnte eine gültige Verwendung für eine mit einem Sonnensegel ausgestattete Sonde sein, die nirgendwo pünktlich sein muss.
Wir sind wirklich gut darin geworden, Objekte im Sonnensystem zu entdecken. Wir können Objekte mit einem Durchmesser von 30 km bei 40 AE sehen. Wenn es irgendwelche Objekte außerhalb der Ekliptikebene gäbe (außer ein paar Ausreißer-KBOs), hätten wir sie bereits gefunden.
Wenn Planet Neun (oder ist das „Planet? Nein!“) zu einer bekannten Größe wird, wird es etwas geben, „nach oben und weit zu gehen“.
Hier kein Zirkelschluss. Wir schicken keine Sonden, um nach Dingen zu suchen, wir machen das vom Boden aus. Wir schicken Sonden, um Dinge zu untersuchen, von denen wir wissen, dass sie da sind. Eine Sonde, die nach neuen Objekten sucht, wird niemals so effektiv sein wie die Suche nach diesen Objekten vom Boden aus

Vor allem, weil es für uns nutzlos wäre, nach oben zu starten, da wir nur äußerst begrenzte Möglichkeiten für Reisen in den Weltraum haben.

Außerdem; Alle Raketen werden sowieso entlang unseres Äquators gestartet, die Anziehungskraft und Bewegung der Erde ermöglichen einen einfacheren Start, und wenn wir entlang unserer vertrauten Ebene starten, können wir die Schwerkraftunterstützung von anderen Himmelsobjekten nutzen.

Gravitationshilfen sind ein wichtiger Grund, sie geben der Rakete, die gestartet wird, einen enormen Schub und sie bieten die Möglichkeit eines Vorbeiflugs (großartig für die Forschung).

Wir haben Satelliten in rückläufigen Umlaufbahnen und in polaren Umlaufbahnen, daher sind einige Starts eindeutig nicht vollständig äquatorial. Es hängt davon ab, was die Missionsziele sind. Wenn die Missionsziele so sind, dass ein nicht prograder äquatorialer Start oder ein Übergang aus der Ekliptik von Vorteil ist, ist dies ein weiterer Faktor, der in „sollten wir dies tun, oder können uns möglicherweise mehrere alternative Missionen geben“ eingeht mehr Wissenschaft für das gleiche Geld?" Diskussionen.
@aCVn Richtig, danke. Ich war mir der retrograden und polar umlaufenden Satelliten bewusst, ich denke, ich habe nur über die meisten Missionen gesprochen, die sich mehrheitlich in äquatorialen Umlaufbahnen befinden. Es gibt viele Gründe, in andere Umlaufbahnen zu starten, selbst wenn sie die Umlaufbahnebene nur um ein paar Grad ändern. Nehmen Sie zum Beispiel GPS Navstar-Satelliten, sie haben alle unterschiedliche Orbitalebenen. Danke für den Hinweis.
Der Vorteil der Erdrotationsverstärkung und des äquatorialen Starts für Weltraumsonden ist minimal (als Prozentsatz der erforderlichen Energie). Auch Gravity Assists geben der Rakete, die gestartet wird, KEINEN enormen Schub, sondern nur der Sonde viele Monate / Jahre nach dem Start.
Warum werden Sonden, die dazu neigen, das äußere System zu erkunden, immer nach außen gestartet, anstatt direkt nach oben oder unten?
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