[论文解读] Sending a Spacecraft to Interstellar Comet C/2019 Q4 (Borisov)

Adam Hibberd, Nikolaos Perakis+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Astro and Planetary Science参考文献 4被引用 4

一句话总结

本文评估了利用现有技术向星际彗星C/2019 Q4（Borisov）发射航天器的可行性。利用最优行星际轨道软件（OITS），研究识别出一条2018年7月发射的最小Δv轨道，可使用猎鹰重型运载火箭将2吨重的航天器送抵该彗星；对于2030年发射的方案，若采用太空发射系统（SLS）和放大版帕克太阳探测器热盾技术，可于2045年抵达该彗星，任务载荷为3公斤级立方星。

ABSTRACT

A potential second interstellar object C/2019 Q4 (Borisov) was discovered after the first known interstellar object 1I/'Oumuamua. Can we send a spacecraft to this object, using existing technologies? In this paper, we assess the technical feasibility of a mission to C/2019 Q4 (Borisov), using existing technologies. We apply the Optimum Interplanetary Trajectory Software (OITS) tool to generate trajectories to C/2019 Q4 (Borisov). As results, we get the minimal DeltaV trajectory with a launch date in July 2018. For this trajectory, a Falcon Heavy launcher could have hauled a 2 ton spacecraft to C/2019 Q4 (Borisov). For a later launch date, results for a combined powered Jupiter flyby with a Solar Oberth maneuver are presented. For a launch in 2030, we could reach C/2019 Q4 (Borisov) in 2045, using the Space Launch System, up-scaled Parker probe heatshield technology, and solid propulsion engines. A CubeSat-class spacecraft with a mass of 3 kg could be sent to C/2019 Q4 (Borisov). If C/2019 Q4 (Borisov) turns out to be indeed an interstellar object, its discovery shortly after the discovery of 1I/'Oumuamua implies that the next interstellar object might be discovered in the near future. The feasibility of a mission to both, 1I/'Oumuamua and C/2019 Q4 (Borisov) using existing technologies indicates that missions to further interstellar objects are likely to be feasible as well.

研究动机与目标

• 评估向C/2019 Q4（Borisov）——继1I/'Oumuamua之后第二颗已知的星际天体——发射航天器的技术可行性。
• 评估利用现有运载火箭和推进技术的使命设计选项。
• 确定飞越任务的最优发射窗口和轨道参数。
• 探索向星际彗星发射小型探测器（如立方星）的可行性。
• 基于本案例研究，推断未来对其他星际天体任务的广泛可行性。

提出的方法

• 使用最优行星际轨道软件（OITS）计算前往C/2019 Q4（Borisov）的行星际轨道。
• 针对最小Δv进行轨道优化，以评估现有运载火箭的发射可行性。
• 为较晚发射日期建模了结合动力木星重力助推与太阳引力弹弓机动的组合方案。
• 利用放大版帕克太阳探测器热盾技术，评估航天器质量和热防护系统需求。
• 使用猎鹰重型运载火箭和太空发射系统（SLS）评估运载能力。
• 针对不同发射窗口（包括2030年）计算任务时间表和轨道持续时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用现有运载和推进技术向C/2019 Q4（Borisov）发射航天器？
• RQ2 向C/2019 Q4（Borisov）任务所需的最小Δv是多少？最优发射窗口是什么时候？
• RQ3 哪些运载火箭能力足以将航天器送抵C/2019 Q4（Borisov），并携带合理有效载荷质量？
• RQ4 如何通过重力助推和动力机动降低任务Δv和持续时间？
• RQ5 向星际彗星发射小型航天器（如3公斤级立方星）的可行性如何？

主要发现

• 通过2018年7月发射的最小Δv轨道，可实现利用猎鹰重型运载火箭将2吨重的航天器送抵C/2019 Q4（Borisov）。
• 对于2030年发射，若采用太空发射系统（SLS）和放大版帕克太阳探测器热盾技术，可于2045年抵达该彗星。
• 3公斤级立方星类航天器可通过SLS和先进热防护系统送抵C/2019 Q4（Borisov）。
• 结合动力木星飞掠与太阳引力弹弓机动可降低任务Δv，并为较晚发射日期提供可行轨道。
• 基于现有技术实现对1I/'Oumuamua和C/2019 Q4（Borisov）任务的可行性，表明未来对其他星际天体的任务很可能也是可行的。
• C/2019 Q4（Borisov）在1I/'Oumuamua之后不久被发现，表明未来可能很快发现更多星际天体，从而提升此类任务的相关性。