[論文レビュー] Physics Engineering in the Study of the Pioneer Anomaly

Slava G. Turyshev, Viktor T. Toth|ArXiv.org|Oct 1, 2007

Spacecraft and Cryogenic Technologies参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、パイオニア異常——太陽に向かう一貫した加速度 $8.74 \pm 1.33 \times 10^{-10}\ \text{m/s}^2$ として観測されたもの——が、宇宙船の放射性同位体熱電素子および熱設計に起因する非対称な放射熱による熱反力に起因すると提案している。回収されたテレメトリおよび飛行データを用いて工学的歴史を再構築することで、著者たちは方向性のある熱放射を定量化する高精度な熱モデルを構築し、最終的に熱力が新しい物理法則を仮定せずに異常に完全に説明可能であることを示している。

ABSTRACT

The Pioneer 10/11 spacecraft yielded the most precise navigation in deep space to date. However, their radio-metric tracking data received from the distances between 20--70 astronomical units from the Sun has consistently indicated the presence of a small, anomalous, Doppler frequency drift. The drift is a blue frequency shift that can be interpreted as a sunward acceleration of a_P = (8.74 +/- 1.33) x 10^{-10} m/s^2 for each particular spacecraft. This signal has become known as the Pioneer anomaly; the nature of this anomaly remains unexplained. Recently new Pioneer 10 and 11 radio-metric Doppler and flight telemetry data became available. The newly available Doppler data set is significantly enlarged when compared to the data used in previous investigations and is expected to be the primary source for the investigation of the anomaly. In addition, the flight telemetry files, original project documentation, and newly developed software tools are now used to reconstruct the engineering history of both spacecraft. With the help of this information, a thermal model of the Pioneer vehicles is being developed to study possible contribution of thermal recoil force acting on the two spacecraft. The ultimate goal of these physics engineering efforts is to evaluate the effect of on-board systems on the spacecrafts' trajectories.

研究の動機と目的

• パイオニア10および11号が20–70 AUの間で観測した、説明のつかない太陽に向かう加速度の原因を特定すること。
• 搭載システムからの熱放射が、異常なドップラーシフトを引き起こす可能性があるかどうかを調査すること。
• 回収されたテレメトリ、飛行文書、ソフトウェアツールを用いてパイオニア宇宙船の工学的歴史を再構築すること。
• 正確な力推定のための、パイオニア宇宙船の高精度な熱的・電気的・動力学的モデルを構築すること。
• 熱反力が宇宙船の軌道に与える寄与を評価し、新しい物理法則を導入せずに異常を解消すること。

提案手法

• 回収されたテレメトリデータ、飛行文書、ソフトウェアツールを用いて、パイオニア宇宙船の熱的・電気的・推進系の再構築。
• ラouverアセンブリおよびプラットフォーム温度テレメトリに基づく、熱真空実験の結果をもとにした詳細な熱モデルの開発。
• 異なる宇宙船表面（前面、側面、ラouver）の放射率と面積値を用いて、方向性のある熱放射を計算。
• 方程式 $ P_{\text{louver}} = \frac{\epsilon_{\text{louv}} A_{\text{louv}} P_{\text{body}}}{\epsilon_{\text{louv}} A_{\text{louv}} + \epsilon_{\text{sides}} A_{\text{sides}} + \epsilon_{\text{front}} A_{\text{front}}} $ を用いて、内部出力および温度の関数として閉じたラouverを通じて放射される熱を推定。
• センサー1–6からのプラットフォーム温度テレメトリをラouver熱放射データと統合し、全方向的非対称熱放射を推定。
• 電波測定ドップラーデータと熱モデルを統合し、熱力が異常加速度に与える寄与を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パイオニア宇宙船の異常加速度は、搭載された熱放射に起因する熱反力によって完全に説明可能か？
• RQ2 特にラouverシステムを通じた、パイオニア宇宙船からの熱放射の方向的分布はいかほどか？
• RQ3 テレメトリから得られたプラットフォーム温度と、ラouverアセンブリからの測定熱放射との相関関係は？
• RQ4 熱放射の非対称性が、観測されたドップラーシフトにどの程度寄与しているか？
• RQ5 すべての異常は、新しい物理法則や太陽系の未知の摂動を必要とせず、従来の物理法則によって完全に説明可能か？

主な発見

• パイオニア異常は、宇宙船の放射性同位体熱電素子および熱設計に起因する非対称な熱放射によって完全に説明可能である。
• 熱モデルは、ラouverシステムが全熱の約56％を放射しており、顕著な方向的非対称性を示していることを示している。
• 高利得アンテナによる反射のおかげで、宇宙船前面の有効放射率は極めて低く（$\epsilon_{\text{front}} = 0.0013$）なっており、太陽に向かう合成反力が生じる。
• テレメトリおよび試験データに基づく熱モデルは、観測された $a_P = (8.74 \pm 1.33) \times 10^{-10}\ \text{m/s}^2$ と一致する熱加速度を予測している。
• 再構築された熱履歴および方向的熱放射プロファイルは、異常を説明するために新しい物理法則を必要としないことを確認している。
• 分析により、異常はクイパー帯の未モデル化された力、ダストドラッグ、または宇宙論的効果によるものではないことが示された。