[论文解读] Project Lyra: Catching 1I/'Oumuamua -- Using Laser Sailcraft in 2030

Adam Hibberd, Andreas M. Hein|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2020

Maritime and Coastal Archaeology参考文献 41被引用 4

一句话总结

本文提出了一项激光帆任务，旨在2030年发射，利用缩小版的突破星shot激光阵列，将帆航天器加速至300 km/s（约0.001c），以拦截星际天体1I/'Oumuamua。轨道仿真显示，飞行时间最短为440天，拦截点位于82 AU以外，提供了一种比化学推进任务更快、更具可扩展性的替代方案。

ABSTRACT

Discovered in October 2017, the interstellar object designated 1I/'Oumuamua was the first such object to be observed travelling through our solar system. 1I/'Oumuamua has other characteristics never seen before in a celestial body and in-situ observations and measurements would be of extraordinary scientific value. Previous studies have demonstrated the viability of spacecraft trajectories to 'Oumuamua using chemical propulsion with a Solar Oberth burn at a perihelion as low as a few solar radii. In addition to chemical propulsion, there is also the possibility of missions involving light sails accelerated by the radiation pressure of a laser beam from a laser located on Earth. Based on a scaled-down Breakthrough Starshot beaming infrastructure, interplanetary missions and missions to the outer solar system have been proposed using lower sailcraft speeds of 0.001c relaxing the laser power requirements (3-30 GW for 1-100 kg spacecraft) and various other mission constraints. This paper uses the OITS trajectory simulation tool, which assumes an impulsive $Δ$V increment, to analyze the trajectories which might be followed by a sailcraft to 'Oumuamua, with a launch in the year 2030 and assuming it has already been accelerated to a maximum speed of 300km/s (approx. 0.001c) by the laser. A minimum flight duration of 440 days for a launch in July 2030 is found. The intercept would take place beyond 82 AU. We conclude that the possibility of launching a large number of spacecraft and reaching 1I much faster than chemical propulsion would circumvent several disadvantages of previously proposed mission architectures.

研究动机与目标

• 评估激光帆任务拦截1I/'Oumuamua（首个观测到的星际天体）的可行性。
• 克服化学推进任务的局限性，如飞行时间长和所需速度增量（delta-v）高。
• 评估缩小版突破星shot激光基础设施在深空星际天体交会任务中的性能表现。
• 针对2030年发射，利用脉冲速度增量（impulsive delta-v）轨道模型，确定最佳发射窗口和任务时长。
• 证明激光帆技术相比传统化学推进，可实现更快、更具可扩展性的任务。

提出的方法

• 使用OITS轨道仿真工具，模拟在脉冲速度增量机动下的帆航天器轨迹。
• 假设激光推进在发射前已将帆航天器加速至300 km/s（0.001c），与缩小版突破星shot架构一致。
• 模拟2030年发射窗口的任务剖面，重点研究对1I/'Oumuamua的拦截轨迹。
• 应用轨道力学原理，计算在82 AU以外的最小飞行时长和拦截位置。
• 考虑任务约束条件，如帆航天器质量（1–100 kg）、激光功率（3–30 GW）以及太阳系动力学。
• 通过速度增量（delta-v）和飞行时间等指标，评估与化学推进方案相比的任务性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在2030年7月发射的情况下，拦截1I/'Oumuamua所需的最短飞行时间是多少？
• RQ2 缩小版激光推进系统是否能够实现足够速度，使航天器在合理时间内抵达82 AU以外的1I/'Oumuamua？
• RQ3 在星际天体交会任务中，激光帆推进与化学推进相比，在任务时长和速度增量需求方面有何差异？
• RQ4 对于2030年发射的1I/'Oumuamua任务，使用激光帆航天器时，最佳发射窗口和轨道参数是什么？
• RQ5 使用多枚帆航天器对提高任务成功率和降低任务风险有何影响？

主要发现

• 假设初始速度为300 km/s，2030年发射拦截1I/'Oumuamua所需的最短飞行时间为440天。
• 拦截点位于82 AU以外，显著超出海王星轨道，证实了任务的深空特性。
• 激光帆推进使飞行时间仅为440天的任务成为可能，远快于化学推进方案。
• 该任务架构具备可扩展性，可支持低激光功率（3–30 GW）下1–100 kg有效载荷的多枚帆航天器。
• 轨道仿真证实，仅通过初始激光脉冲加速，无需在轨推进，即可实现与1I/'Oumuamua的交会。
• 该方法通过实现快速加速至0.001c，规避了化学推进的关键缺点，如推进剂质量大和长途飞行时间长。