[论文解读] Outer Solar System Exploration: A Compelling and Unified Dual Mission Decadal Strategy for Exploring Uranus, Neptune, Triton, Dwarf Planets, and Small KBOs and Centaurs

Amy Simon, S. A. Stern+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2018

Astro and Planetary Science参考文献 17被引用 3

一句话总结

本文提出了一项统一的双目标任务策略，用于探索外太阳系，结合一颗环绕海王星的探测器与一颗经过柯伊伯带天体（TNO）或半人马小行星的飞越任务，最大化在冰巨星、卫星和小天体方面的科学回报，同时应对预算限制。该方法将多个科学领域整合到单一、成本效益高的任务架构中，推动多个科学社群的行星科学进展。

ABSTRACT

Laying the Vision and Voyages (V&V, National Research Council 2011) Decadal Survey 2013-2022 objectives against subsequent budget profiles reveals that separate missions to every desirable target in the Solar System are simply not realistic. In fact, very few of these missions will be achievable under current budget realities. Given the cost and difficulty in reaching the outer Solar System, competition between high-value science missions to an Ice Giant system and the Kuiper Belt is counterproductive. A superior approach is to combine the two programs into an integrated strategy that maximizes the science that can be achieved across many science disciplines and communities, while recognizing pragmatic budget limitations.

研究动机与目标

• 解决由于预算和任务复杂性，难以单独发射任务前往所有高优先级外太阳系目标的不切实际问题。
• 通过将高价值的冰巨星与柯伊伯带任务整合到单一任务架构中，减少它们之间的竞争。
• 通过结合多个探索目标，最大化在行星科学、天体物理学和日球层科学领域的科学回报。
• 提供一种成本效益高、统一的十年期战略，与现实的资助水平和任务开发时间线保持一致。
• 倡导采用双航天器方案，实现在一次任务任务周期内全面探索海王星、冥卫一、矮行星以及小范围的跨海王星天体/半人马小行星。

提出的方法

• 提出双航天器任务架构：一个航天器环绕海王星及其卫星冥卫一，另一个执行对跨海王星天体或半人马小行星的飞越任务。
• 利用引力弹弓和轨道优化，使两个任务能通过单一、高效的轨道发射。
• 整合多个学科的科学仪器与目标，包括大气科学、卫星地球物理学和小天体成分研究。
• 利用先前任务（如旅行者2号、新视野号）的数据，指导仪器设计和目标选择，以提升科学产出。
• 建立任务成本与时间进度的模型，使其与当前十年度调查的预算现实和资金限制相匹配。
• 强调科学目标之间的协同效应——例如，同时研究冥卫一的间歇喷泉与海王星的磁层，以及遥远小天体的表面成分与动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一、统一的任务架构是否能在现实预算限制下，实现对海王星、冥卫一以及跨海王星天体或半人马小行星的高优先级科学目标？
• RQ2 双航天器任务设计如何最大化在行星科学、日球层物理和天体物理学领域的科学回报？
• RQ3 何种最优轨道与发射窗口可实现海王星轨道环绕与遥远飞越，同时最小化推进剂消耗与任务周期？
• RQ4 将冰巨星与跨海王星天体的科学目标整合，相比独立任务，如何降低整体任务成本与风险？
• RQ5 研究海王星系统与遥远小天体之间的关键科学协同效应是什么？它们如何增强对太阳系形成过程的理解？

主要发现

• 统一的双目标任务策略可显著降低单独任务的成本，实现对海王星、冥卫一以及跨海王星天体或半人马小行星的全面探索。
• 该任务架构可同时研究海王星的大气层、磁层与冥卫一的间歇喷泉，同时获取遥远小天体的表面与成分数据。
• 轨道分析表明，单一发射窗口可通过引力弹弓与高效巡航路径，支持海王星轨道器与跨海王星天体或半人马小行星的飞越任务。
• 跨多个学科整合科学目标可提高单位资金的科学回报，增强任务价值。
• 通过将工程与科学规划整合为单一协调任务周期，该策略降低了任务风险与开发复杂性。
• 该方法与当前十年度调查的优先事项和资金现实保持一致，为外太阳系探索提供了一条切实可行且极具吸引力的发展路径。