[논문 리뷰] Physics Engineering in the Study of the Pioneer Anomaly

Slava G. Turyshev, Viktor T. Toth|ArXiv.org|2007. 10. 01.

Spacecraft and Cryogenic Technologies참고 문헌 6인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 태양 쪽을 향한 지속적인 가속도 $8.74 \pm 1.33 \times 10^{-10}\ \text{m/s}^2$로 관측된 파이오니어 이상현상이 우주선의 방사성 동위원소 열전기 발전기와 열 설계에 의한 이방성 열복사로 인한 열 반동력에서 기인한다고 제안한다. 복구된 태널리미터 및 비행 데이터를 사용해 공학적 역사를 재구성함으로써, 저자들은 방향성 열 방출을 정량화하기 위한 고정밀 열 모델을 개발하였으며, 결국 열력이 새로운 물리법칙을 도입하지 않고도 이상현상을 완전히 설명할 수 있음을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 20–70 AU 사이에서 관측된 파이오니어 10호 및 11호의 설명되지 않은 태양 쪽 가속도의 기원을 규명하는 것.
• 기 onboard 시스템에서 발생하는 열복사가 비정상적인 도플러 시프트를 유도할 수 있는지 조사하는 것.
• 복구된 태널리미터, 비행 문서 및 소프트웨어 도구를 사용해 파이오니어 우주선의 공학적 역사를 재구성하는 것.
• 정밀한 力 추정을 위한 고정밀 열, 전기 및 운동학 모델을 개발하는 것.
• 열 반동력이 우주선의 궤도에 기여하는 정도를 평가하고, 새로운 물리법칙을 도입하지 않고도 이상현상을 해결하는 것.

제안 방법

• 복구된 태널리미터 데이터, 비행 문서 및 소프트웨어 도구를 사용해 파이오니어 우주선의 열, 전기 및 추진 시스템을 재구성하는 것.
• 루버 어셈블리의 열진공실 테스트 결과 및 플랫폼 온도 태널리미터 데이터를 바탕으로 한 세부적인 열 모델 개발.
• 다른 우주선 표면(앞면, 측면, 루버)의 발열도 및 면적 값을 사용해 방향성 열복사 계산.
• 방정식 $ 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}}} $ 를 사용해 닫힌 루버를 통해 방출되는 열을 내부 전력과 온도의 기능으로 추정하는 것.
• 센서 1–6의 플랫폼 온도 태널리미터 데이터를 루버 열방출 데이터와 통합하여 이방성 열복사 총량을 추정하는 것.
• 라디오 계측 도플러 데이터와 열모델링을 결합하여 열력이 비정상적 가속도에 기여하는 정도를 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 파이오니어 우주선의 비정상적 가속도는 기 onboard 열복사에서 기인하는 열 반동력으로 완전히 설명될 수 있는가?
• RQ2 특히 루버 시스템을 통해 방출되는 파이오니어 우주선의 열복사 방향 분포는 어떠한가?
• RQ3 태널리미터 유래 플랫폼 온도는 루버 어셈블리의 측정된 열방출과 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ4 열복사의 이방성은 관측된 도플러 시프트의 어느 정도를 차지하는가?
• RQ5 전체 이상현상은 새로운 물리법칙이나 알려지지 않은 태양계 외란 없이도 전통적 물리학으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 파이오니어 이상현상은 우주선의 방사성 동위원소 열전기 발전기와 열 설계에 의한 이방성 열복사로 완전히 설명 가능하다.
• 열모델은 루버 시스템이 총 열의 약 56%를 방출하며, 상당한 방향성 비대칭성이 있음을 보여준다.
• 고성능 안테나에 의한 반사로 인해 우주선 앞면의 효과적 발열도는 매우 낮다 ($\epsilon_{\text{front}} = 0.0013$) 하여 태양 쪽으로 순 반동력이 발생한다.
• 태널리미터 및 시험 데이터를 기반으로 한 열모델은 관측된 $a_P = (8.74 \pm 1.33) \times 10^{-10}\ \text{m/s}^2$ 와 일치하는 열가속도를 예측한다.
• 재구성된 열역사 및 방향성 열방출 프로파일은 새로운 물리법칙이 필요로 하지 않음을 확인한다.
• 분석은 이상현상이 쿠이퍼 벨트의 모델링되지 않은 힘,-dust 드래그 또는 천체역학적 영향 때문이 아니라는 것을 입증한다.