自复制探测器的引力弹弓动力学及其对探索时间尺度的影响

星际探测器可以在其造访的恒星周围执行引力弹弓机动，通过从恒星绕银河系中心的运动中提取能量来获得速度提升。这些机动几乎不需要额外的能量成本，先前的工作表明，与纯动力飞行导航相比，执行此类引力弹弓的单个类 Voyager 探测器探索银河系的速度快了 100 倍（Forgan et al. 2012）。我们通过用自复制探测器重复该实验来扩展这些结果。探测器在一个代表本地太阳邻域的恒星盒中进行探索，以研究与非复制单个探测器相比，自复制如何影响探索时间尺度。我们探讨了三种不同的探测器行为场景：i) 标准动力飞行至最近的未访问恒星（不使用引力弹弓技术），ii) 使用引力弹弓技术飞行至最近的未访问恒星，以及 iii) 飞行至下一个能在引力弹弓轨迹下提供最大速度提升的未访问恒星。在所有三种场景中，我们发现正如预期，使用自复制探测器大大减少了探索时间，场景 i) 和 iii) 减少了多达三个数量级，场景 ii) 减少了两个数量级。第二种情况（即最近恒星的引力弹弓）仍然是探索恒星群最节省时间的方式。由于舰队的决策算法很简单，探测器之间出现了意想不到的“竞争条件”，导致最后几颗恒星的探索时间变得比必要时间长得多。根据探测器性能随恒星数量的缩放关系，我们得出结论：自复制探测器舰队确实可以在足够短的时间内探索银河系，从而为费米悖论的存在提供了理由。