Wie hätte ein Vorbeiflug am Jupiter geholfen, zur Sonne zu gelangen? Warum wurde es später ausgeschlossen?

Eine Schwerkraftunterstützung bei Jupiter wäre verwendet worden, um die Umlaufgeschwindigkeit der Sonnensonde (Plus) zu verringern und ihr Perihel zu senken, wie in dieser Antwort gut erklärt .

^{Bildnachweis : NASA/JHUAPL}

Tatsächlich ist die Jupiter-Schwerkraftunterstützung für ein so extrem niedriges Perihel viel treibstoffeffizienter als ein direkter Transfer (Hinweis: Parker verwendet mehrere Venus-Schwerkraftunterstützungen, um das Kraftstoffbudget zu sparen).

Der Jupiter-Beistand erfordert nur ~$9kms^{-1}$delta-v von Kraftstoff mit einem weiteren ~$5.6kms^{-1}$vom Jupiter assist. Verglichen mit der direkten Übertragung, die ~ erfordert$21kms^{-1}$- Siehe die Mathematik unten.

9 km/s statt 21 ist ein gewaltiger Unterschied, der eine massivere Sonde erlaubt hätte. Aus einem 1966 erschienenen Artikel Gravity-Assisted Trajectories to Solar-System Targets :

Wenn Missionen mit weniger als 0,1 AE erwünscht sind, ist es offensichtlich, dass die einzige verfügbare Route mit bestehenden chemischen Antriebssystemen über einen Jupiter-Vorbeiflug führt.

Parker Solar Probe hat offensichtlich den Vorteil modernerer Antriebssysteme und wird mehrere Venus-Unterstützungen nutzen, um seine endgültige Umlaufbahn zu erreichen, aber es war immer noch eine der höchsten erforderlich$C_3$'s in der Geschichte von einer der größten Trägerraketen der Geschichte.

Die Jupiter-Assist-Flugbahn wurde schließlich 2007 aus einer Reihe von Gründen eingestellt, die wichtigsten sind:

• Zeit: Jede der Sonnenumrundungen dauert etwa 6 Jahre, was nur zwei Gelegenheiten zum Sammeln von Daten bietet. Außerdem würde die höhere Perihelgeschwindigkeit die Beobachtungsfenster noch kleiner machen.
• Hitze: Die Sonde hätte in der Lage sein müssen, sowohl die hohen Temperaturen am Perihel als auch längere Zeiträume mit niedrigen Temperaturen am Aphel zu bewältigen. Diese Anforderungen hätten Massenstrafen nach sich gezogen.
• Energie: Die geringe Sonnenintensität draußen auf der Umlaufbahn des Jupiter hätte die Nutzung von Solarenergie ziemlich ausgeschlossen ( 9-Meter-Panels sind nicht für jedermann verfügbar), was eine interne Energiequelle erforderlich machte, was eine unerwünschte Option war .
• Kommunikation: Die größeren Entfernungen hätten eine größere Antenne und damit mehr Masse erfordert. Ein frühes Designkonzept hatte tatsächlich eine hybride Kombination aus Hitzeschild und Antenne als Lösung.

Das ursprüngliche Design der Solar Probe-Mission hatte tatsächlich eine letzte Umlaufbahn, die stark geneigt war und nicht in der Nähe der Ekliptikebene, ähnlich wie Ulysses, aber mit einem viel niedrigeren Perihel.

Mathe

Wir können die Vis-Viva-Gleichung mit den verschiedenen Stadien des Jupiter-Transfers verwenden, um das Gesamtbudget zu berechnen:

Unsere anfängliche Umlaufbahn ist nur die Erdumlaufbahn mit$a_{E} \approx r_{E} \approx 1.5\times10^{11}$m und Umlaufgeschwindigkeit ~$30kms^{-1}$(Wir ignorieren die Erdfluchtanforderungen, da sie für beide Optionen ähnlich sind).

Unsere Transferbahn hat ein Aphel auf der Jupiterbahn und ein Perihel auf der Erde, was uns gibt$a_{EJ} \approx 4.65\times10^{11}m$und$r_{J} \approx 7.8\times10^{11}m$. Unsere Geschwindigkeit am Perihel ist ~$39kms^{-1}$, abnehmend auf nur ~$7.4kms^{-1}$am Aphel. Hier kommen unsere Kraftstoffeinsparungen ins Spiel – die niedrige Aphelgeschwindigkeit bedeutet, dass wir eine viel größere relative Geschwindigkeitsänderung für die gleiche Kraftstoffmenge erzielen können.

Unsere letzte Umlaufbahn mit niedrigem Perihel hat$a_{JS} \approx 3.87\times10^{11}m$und$r_{S} \approx 7\times10^{9}m$, was eine Geschwindigkeit am Aphel von ~ ergibt$1.8kms^{-1}$.

Unsere Gesamtausgaben betragen also:

• Erde zu Jupiter:$39 - 30 = 9kms^{-1}$
• Jupiter zu Sonne:$7.4 - 1.8 = 5.6kms^{-1}$
• Insgesamt: ~$14.6kms^{-1}$

Direktüberweisungsmöglichkeit:

• Erde zur Sonne:$30 - 8.9 = 21.1kms^{-1}$

Die Jupiter-Vorbeiflug-Missionskonzepte waren atomgetrieben. Ihnen wurde gesagt, sie sollten sich eine nicht-nukleare Option einfallen lassen.