Wie navigieren Raumfahrzeuge durch den Asteroidengürtel, um Kollisionen zu vermeiden?

Noch ist kein Raumschiff im Asteroidengürtel verloren gegangen. Tatsächlich haben wir das gegenteilige Beispiel, einen Asteroiden zu verfehlen, obwohl er überhaupt angegriffen wurde, wie es bei der MINERVA-Landeeinheit der Weltraumsonde Hayabusa der JAXA der Fall war, die den Asteroiden 25143 Itokawa verfehlte . Warum wir kein Raumschiff durch Kollision mit Asteroiden im Asteroidengürtel verloren haben, ist auch ziemlich einfach, wenn Sie anfangen, sein Volumen und seine durchschnittliche Partikeldichte zu schätzen.

Der Asteroidengürtel ist ein riesiges Gebiet, das nur dünn mit Asteroiden besiedelt ist. Es ist unglaublich schwierig, seine mittlere Dichte abzuschätzen, wenn man bedenkt, dass wir mit Sicherheit nicht alle Objekte entdeckt haben, da die meisten einfach zu klein sind, um sie aus bis zu ein paar astronomischen Einheiten Entfernung leicht zu erkennen und zu verfolgen, aber wir haben die meisten ihrer größten bis zu entdeckt mittelgroße Objekte und das sollte uns helfen, seine Dichte ein wenig abzuschätzen. Wir haben bereits einige Antworten auf ähnliche Fragen in anderen Threads, zum Beispiel:

• Wie groß ist die (Teilchen-)Dichte des Asteroidengürtels?
• Wie häufig kollidieren Asteroiden miteinander?

Aber um der Argumentation willen, lassen Sie uns auch hier einige Zahlen zusammenfassen, und ich werde einen etwas anderen Ansatz verfolgen, um die Arbeit anderer nicht zu rauben.

Wenn wir die Region des Asteroidengürtels als einen Torus mit der inneren Grenze bei definieren$2.06 AU$(4:1 Bahnresonanz mit Jupiter), äußere Grenze bei$3.215 AU$(Halten der Schneegrenze vor der Bildung des Asteroidengürtels bei$2.7 AU$, schön in der geometrischen Mitte der inneren und äußersten Grenzen), und seine Dicke folgt der durchschnittlichen Neigung zur unveränderlichen Ebene aller bekannten Asteroiden im Asteroidengürtel bei$\approx 4 °$, multipliziert mit zwei, so dass wir seine Gesamtdicke erhalten.

            ^{Neigungsdiagramm$i$vs große Halbachse$a$für nummerierte Asteroiden innerhalb von etwa$6 AU$. Der Hauptgürtelbereich ist rot dargestellt
            und enthält$93.4\%$aller Objekte. Als Referenz kreist der Mars um$1.666 AU$, und Jupiter dazwischen$4.95-5.46 AU$.
            Das Diagramm wurde von Piotr Deuar unter Verwendung von Umlaufbahndaten für 120437 nummerierte Kleinplaneten aus der Umlaufbahndatenbank des Minor Planet Center
            vom 8. Februar 2006 erstellt. (Quelle: Wikipedia )}

Setzen Sie diese Parameter in die Gleichung für das Volumen eines Toroids ein (was eigentlich ein Überbleibsel ist, wenn Sie das Volumen der äußeren Kugel von der inneren subtrahieren und dann durch a dividieren$8 °$dicke Scheibe ), erhalten wir das Gesamtvolumen von$4.56 AU^3$.

Das ist eine viel geringere Lautstärke als$16 AU^3$zitiert in der ähnlichen Schätzung des Asteroidengürtelvolumens in einer Antwort auf eine verwandte Frage auf Physics.SE , aber denken Sie daran, dass ich nur das Gebiet akzeptiert habe, in dem die Mehrheit seiner Asteroiden bekannt ist, nicht seine Extreme. Ich mache das, damit wir das höchste Risiko einer Kollision mit einem Asteroiden im Asteroidengürtel einschätzen können, also ist der Zweck etwas anders. Ich habe auch die Entfernung zu den Sonnengrenzen etwas anders geschätzt, wobei ich der gleichen Idee gefolgt bin, den Bereich auf die Stelle zu beschränken, an der sich die meisten Asteroiden befinden würden (höchste Dichte).

OK, also jetzt, wo wir dieses Volumen mit der höchsten Teilchendichte haben, versuchen wir es mit etwas einfacher vorstellbaren Zahlen zu beschreiben; Die Erde hat ein Volumen von$108.321 * 10^{10}\ km^3$. Gegeben berechnetes Volumen des Hauptdichtebereichs des Hauptgürtels:

• Wir könnten gut 14 Sextillionen ($14 * 10^{21}$) Erden drin.
• Oder, da 1.300.000 Erden in das Volumen der Sonne passen könnten, könnten wir fast 11 Billiarden ($10.84 * 10^{15}$) Sonnen in der Region.
• Oder 10,667 Quintillionen ($10.67 * 10^{18}$) Jupiter
• Was bei fast 705 Sextillionen ($704.69 * 10^{21}$) Monde .

Dies bezieht sich auf sein Volumen. Beim Versuch, seine Partikeldichte abzuschätzen, wird die Gesamtmasse des Asteroidengürtels geschätzt$2.8 * 10^{21}$zu$3.2 * 10^{21}\ kg$, was gerecht ist$4\%$der Masse des Mondes. Wir werden verwenden$93.4\%$der oberen geschätzten Masse, die unsere Hauptdichte beschreibt, also$2.9888 * 10^{21}\ kg$. Das ist ziemlich genau$3 * 10^{21}\ kg$, runden wir also auf den Mittelwert der Schätzung auf.

Wenn wir nun eine ähnliche Zusammensetzung annehmen könnten, dann hätte ein durchschnittlich großes Objekt nur ein Volumen von 1 Liter (1 Kubikdezimeter oder 10 * 10 * 10 cm) und eine Dichte von Mondgestein ($3.3464 g/cm^3$, oder anders ausgedrückt, hätte eine Masse von$3.3464\ kg$), das wäre dann$896.49 * 10^{18}$von solchen Objekten und sie besetzen würden$1.965 * 10^{-11}\%$, oder 0,00000000001965 % des Gesamtvolumens des Hauptdichtebereichs des Asteroidengürtels.

Dies sind nur einige Schätzungen und ich hoffe, dass ich alle Dezimalstellen richtig eingegeben habe, aber wie Sie sehen, ist die Wahrscheinlichkeit, mit einem Objekt im Asteroidengürtel zu kollidieren, tatsächlich astronomisch. Es gibt keinen Grund, die Energie des Raumfahrzeugs zu verbrauchen, um zu versuchen, Asteroiden möglicherweise auf Kollisionskurs mit einem vorbeifahrenden Raumfahrzeug zu verfolgen, zumal diese Objekte nicht stationär zum Vektor der Reise des Raumfahrzeugs sind und es unglaublich schwierig wäre, sie zu erkennen und ihre Umlaufbahnen ableiten, um sie mit Hilfe von Triebwerken an Bord zu vermeiden.

Meines Wissens hat bisher kein Raumschiff versucht, ein detailliertes Radarbild von Objekten im Asteroidengürtel vor dem Raumschiff zu erstellen, um ihnen auch bei einer äußerst geringen Wahrscheinlichkeit, sich auf Kollisionskurs zu befinden, auszuweichen. Navigation und Kollisionsvermeidung des Raumfahrzeugs in Bezug auf ein einzelnes Objekt auf seinem Weg ja, zum Beispiel die erwähnte Hayabusa, und Rosetta und sein Lander Philae werden 2014 etwas Ähnliches versuchen. Und einige andere Weltraumsonden (ich glaube auch Pioneer und Voyager Sonden) haben Weitwinkel-Radaraufnahmen verwendet, um Objekte im Asteroidengürtel zu katalogisieren und zu untersuchen, um sie zu katalogisieren und zu untersuchen, aber um eine Kollision zu vermeiden, müssten Sie ihre Umlaufbahn extrem genau bestimmen, sonst wüssten Sie nicht, ob Sie vermeiden das Objekt oder helfen Ihrem Raumschiff tatsächlich, damit zu kollidieren.