Почему зонды, стремящиеся исследовать внешнюю систему, всегда запускаются наружу, а не прямо вверх или вниз?

Начиная с Земли, у вас есть свободные 30 км/с от движения Земли вокруг Солнца, которое находится в плоскости эклиптики. Чтобы уйти далеко от самолета, вам нужно либо увеличить скорость «вверх» или «вниз» (что выходит за рамки возможностей современных ракет), либо пройти через один из газовых гигантов и использовать его гравитацию для изменения курса. Так что, по крайней мере, для начала у вас действительно нет выбора.

Одним из примеров использования газового гиганта для изменения плоскости был зонд «Улисс» , который, хотя и едва добрался до Внешней Солнечной системы, вращался почти под углом 90 градусов к эклиптике (фактически 80,2 градуса), чтобы получить представление на Северном и Южном полюсах Солнца и исходящем от них излучении и магнитных полях.

На данный момент у нас было 5 полетов к внешней части Солнечной системы. У всех у них были основные миссии на одной или нескольких планетах. Это наложило основные ограничения на их траектории. Все, что было после последней встречи с планетой, было второстепенным.

Например, для «Вояджера-2» пролет Нептуна был направлен на близкое столкновение с Тритоном, что уменьшило возможные траектории ухода:

Вы также видите, что "Вояджер-2" теперь имеет значительный угол относительно эклиптики.

Другие:

• «Вояджер-1» должен был посетить спутники Сатурна
• для Пионеров я думаю межзвездная миссия вообще не рассматривалась
• New Horizons должен был пролететь мимо Плутона, поэтому он был ограничен самолетом Плутона (Плутон недостаточно велик, чтобы значительно изменить курс NH)

Что мы обнаружим, если будем двигаться прямо вверх и вниз?

За пределами эклиптики почти нет объектов, представляющих интерес. Никаких планет или других тел, которые мы можем посетить, пока вы не доберетесь до облака Оорта, которое находится на расстоянии 1000 а. Единственная причина выбрать траекторию, перпендикулярную эклиптике, — это иметь другую точку измерения солнечного ветра. Но тратить всю миссию на 100 AU только на это было бы дорого для очень ограниченной отдачи.

В настоящее время ведется исследование межзвездной миссии , но также планируется включить посещение КВО, поэтому оно будет ограничено эклиптикой.

Важно понимать, что космические зонды не очень полезны для поиска объектов в глубоком космосе. Космос настолько пуст, что у зонда, отправленного в случайном «исследовательском» направлении, будет ничтожный шанс обнаружить объект, вращающийся вокруг Солнца. Лучший способ найти объекты за пределами эклиптики — искать их с помощью действительно больших наземных или орбитальных телескопов. И там, кажется, не так много.

Все зонды на пути из Солнечной системы предназначались для исследования нынешних или бывших планет, которые находятся близко к плоскости эклиптики. Это действительно причина, по которой зонды находятся близко к этому самолету.

Было бы интересно исследовать дальние уголки магнитосферы Солнца в разных направлениях, но не было сочтено, что это стоит затрат.

Наконец, легче отправлять зонды в плоскости эклиптики, потому что мы можем использовать движения планет для увеличения скорости . Движение Земли со скоростью около 30 км/с — хорошее начало, но оно бесполезно, если вы направляетесь прямо к северному полюсу эклиптики. И вы не можете использовать внешние планеты как гравитационные рогатки, если вы движетесь от них перпендикулярно. (Вы можете использовать его, чтобы вывести свой корабль из самолета, как указал @Organic Marble, это было сделано Улиссом, но это жертвует ускорением скорости, которое вы могли бы получить с этой планеты.)

Пребывание в одной плоскости с планетами Солнечной системы позволяет нам использовать их для движения с помощью маневра рогатки. На самом деле на этой странице Википедии даже есть гифки, показывающие «Вояджеры» в качестве примера, поэтому я думаю, что мне не имеет особого смысла вдаваться в подробности здесь: https://en.wikipedia.org/wiki/Gravity_assist

Но, по сути, нет никаких причин не использовать такие маневры для дополнительного ускорения, и, как упоминалось ранее, для движения перпендикулярно плоскости потребуются двигательные установки, которых у нас нет (пока). Даже если бы у нас была такая технология, все равно нет причин не использовать эту бесплатную энергию, поскольку у этих зондов нет конкретного назначения.

Отдельный момент - есть степень кругового мышления.

Человечество не может увидеть ничего интересного за пределами плана, но достаточно близко, чтобы посетить его, поэтому мы не отправляемся туда, когда на плане эклиптики или рядом с ним есть гораздо более крупные и захватывающие вещи.

Итак, в результате мы не рассмотрели поближе. Зонды стоят денег, и без определенного набора целей миссии, которые показывают полезную цель, деньги идут на более интересные предложения.

Кто знает, что наука может узнать, выстрелив обычным зондом прямо вверх или вниз?

Ответ Финансирование денег приходит легче, когда есть интересная цель.

В основном потому, что запуск вверх был бы для нас бесполезен, поскольку наши возможности для путешествий в дальний космос крайне ограничены.

Кроме того; все ракеты в любом случае запускаются по нашему экватору, притяжение и движение Земли облегчают запуск, а если мы запускаем по знакомой нам равнине, мы можем использовать гравитацию от других небесных объектов.

Гравитационные ассистенты — большая причина, они дают огромный импульс запускаемой ракете и дают возможность пролета (отлично подходит для исследований).