Design af bedre asteroide opdagelsesrejsende

Nylige NASA-missioner til asteroider har indsamlet vigtige data om den tidlige udvikling af vores solsystem, planetdannelse, og hvordan liv kan være opstået på Jorden. Disse missioner giver også afgørende information til at aflede asteroider, der kan ramme Jorden.

Missioner som OSIRIS-REx-missionen til Asteroid Bennu og Hyabusa II-missionen til Ryugu, udføres ofte af robotudforskere, der sender billeder tilbage til Jorden, der viser komplekse asteroideoverflader med revnede, højtliggende kampesten og murbrokkermarker.

For bedre at forstå adfærden af ​​asteroidemateriale og designe succesfulde robotudforskere, forskere skal først forstå præcis, hvordan disse opdagelsesrejsende påvirker overfladen af ​​asteroider under deres landing.

I et papir offentliggjort i tidsskriftet Icarus , forskere ved University of Rochesters afdeling for fysik og astronomi, inklusive Alice Quillen, professor i fysik og astronomi, og Esteban Wright, en kandidatstuderende i Quillens laboratorium, udførte laboratorieeksperimenter for at bestemme, hvad der sker, når opdagelsesrejsende og andre objekter lander på kompleks, granulerede overflader i miljøer med lav tyngdekraft. Deres forskning giver vigtig information til at forbedre nøjagtigheden af ​​dataindsamling om asteroider.

"Kontrol af robotudforskeren er altafgørende for missionens succes, " siger Wright. "Vi ønsker at undgå en situation, hvor landeren sidder fast på sit eget landingssted eller potentielt hopper af overfladen og går i en utilsigtet retning. Det kan også være ønskeligt for opdagelsesrejsende at springe over overfladen for at rejse lange afstande."

Forskerne brugte sand til at repræsentere en asteroides overflade i laboratoriet. De brugte kugler til at måle, hvordan objekter påvirker de sandede overflader i forskellige vinkler, og filmede kuglerne med højhastighedsvideo for at spore kuglernes baner og spin under stød med sandet.

"Kornet materiale som sand er normalt ret absorberende ved stød, " siger Quillen. "Som en kanonkugle, der rikochetterer ud af vandet, skubbet sand kan virke som en sne foran en sneplov, løfte projektilet, får det til at springe væk fra overfladen."

Forskerne konstruerede en matematisk model, der inkluderer Froude-tallet, et dimensionsløst forhold, der afhænger af tyngdekraften, hastighed, og størrelse. Ved at skalere modellen med Froude-tallet, forskerne var i stand til at anvende viden opnået fra deres eksperimenter med kuglerne til miljøer med lav tyngdekraft, såsom dem, der findes på overfladen af ​​asteroider.

"Vi fandt ud af, at ved hastigheder nær flugthastigheden - den hastighed, hvormed et objekt vil undslippe tyngdekraftens tiltrækning - vil mange, hvis ikke de fleste sten og kampesten, sandsynligvis rikochettere på asteroider, " siger Wright.

Resultaterne giver en forklaring på, hvorfor asteroider har strøet kampesten og sten, der sidder på deres overflader, og de påvirker også den vinkel, som robotmissioner skal bruge for at kunne lande på overfladen af ​​en asteroide.

"Robotiske missioner, der lander på overfladen af ​​en asteroide, bliver nødt til at kontrollere tidspunktet for landing, så de ikke hopper, " siger Quillen. "Robotterne kan opnå dette ved at gøre deres anslagsvinkel næsten lodret, ved at reducere anslagshastigheden til en meget lille værdi, eller ved at gøre slaghastigheden stor nok til at danne et dybt krater, som robotudforskeren ikke vil hoppe ud af."