¿Alguna vez se ha lanzado una sonda a una órbita altamente elíptica con, digamos, 20-30 años para orbitar el sol?

La más cercana a este diseño fue la sonda Ulysses , que acabó en una órbita heliocéntrica con un semieje mayor de 3,37 UA y una excentricidad de 0,603, y un periodo orbital de 6,2 años. ( Elementos orbitales disponibles aquí. ) Fue lanzado en 1990 y funcionó hasta alrededor de 2008.

Sin embargo, el objetivo de esta sonda no era tomar imágenes del espacio profundo, sino obtener imágenes del Sol, específicamente, de los polos del sol. Para llevar una nave espacial a una órbita polar, tendrías que deshacerte de una gran cantidad de impulso en el plano del Sistema Solar y agregar un montón de impulso perpendicular al plano; y como todos sabemos, la mejor manera de obtener un gran delta-v es dirigirse a Júpiter. Así que la nave se dirigió a Júpiter y usó su gravedad para salir disparada del plano del Sistema Solar. (Si hace los cálculos, el perihelio de la órbita de Ulises está en aproximadamente 5,4 AU, que podría reconocer como el radio orbital de Júpiter).

Ulysses hizo algo de ciencia cuando pasó por Júpiter por primera vez, pero la mayor parte de su recopilación de datos posterior se limitó a los momentos (más de tres órbitas) cuando estuvo sobre los polos del Sol. Cuando volvió a Júpiter después de su primera órbita, por supuesto, Júpiter había dado la vuelta a su órbita y no había mucho que ver. (Aparentemente hizo algunas "observaciones distantes" de Júpiter en ese momento, pero no fue un sobrevuelo cercano, aproximadamente a 0.8 AU de distancia ) .

Una misión de 30 años es difícil de diseñar. Los Voyagers siguen vivos (más o menos) después de 30 años, pero eso es más suerte que habilidad.

La sonda también tendría que ser grande:

• necesita suficiente combustible para maniobrar cerca de algo interesante (por ejemplo, un KBO o un cometa).
• necesita un radar para encontrar esos objetos. Los radares son grandes y usan mucha energía (para las distancias que necesita, docenas de kilovatios, si no megavatios), por lo que necesita un reactor nuclear.
• el retorno de la muestra (la principal razón para diseñar una sonda de retorno) es complicado y solo lo hemos hecho unas pocas veces con sondas no tripuladas.

Voyager es casi el objeto más grande que podemos enviar al Cinturón de Kuiper en este momento, esta misión tendría que ser muchas veces más pesada.

Entonces, estamos hablando de una misión enormemente costosa, con un objetivo de misión que es muy vago y tiene una baja probabilidad de éxito.

Dadas las realidades de la exploración planetaria (solo unas pocas misiones por año, restricciones presupuestarias estrictas), solo se financiarán las misiones que tengan más probabilidades de éxito.

No hay una nave espacial que haga exactamente lo que sugieres. El más cercano probablemente fue Cassini, que estaba en una órbita elíptica para alcanzar la órbita alrededor de Saturno, o Ulises, que se utilizó para orbitar los polos del Sol, como explicó @MichaelSeifert. ¿Por que no? Hay bastantes razones. Veamos algunos.

1. La forma en que tienes una órbita elíptica en lugar de una trayectoria de escape es el resultado de la velocidad. Una trayectoria de escape es una trayectoria rápida. Para que New Horizons se encuentre con Plutón y regrese a casa, tomaría alrededor de cien años (aproximadamente la mitad de su período orbital, que es la regla general para esto). Eso es mucho tiempo, y la gente no querría esperar tanto por sus datos.
2. Si bien el envío de datos más rápido es bueno, no es esencial. New Horizons podrá enviar sus datos durante 18 meses. Incluso si de alguna manera pudiera rebotar y regresar a casa a la misma velocidad que fue allí, no podría enviar los datos mucho más rápido, ya que aún estaría lejos durante ese tiempo.
3. Hay otras misiones potencialmente útiles para que New Horizons las cumpla después.

En pocas palabras, es más rápido, más barato y mejor dejar que la nave espacial siga su camino.

Supongo que es porque 'entregar los datos cuando regresan' no es tan bueno como parece.

Estamos recibiendo datos muy bien de New Horizons (aunque lentamente), y creo que esto siempre superará los beneficios de una nave espacial que se acerca físicamente. La luz viaja muy, muy rápido, y tener el punto de transmisión más cerca no hace una gran diferencia en el enlace descendente de datos.

El punto principal, sin embargo, es que la nave eventualmente se volverá inútil en su órbita heliocéntrica, porque Plutón se habría movido cuando la sonda regrese al afelio en su segunda órbita. Una sonda de sobrevuelo como New Horizons puede continuar y recopilar datos de otros objetos del cinturón de Kuiper, y luego fuera de la heliosfera.

^{La trayectoria de New Horizons, en un camino para escapar del Sistema Solar después de volar más allá de Plutón y, con suerte, explorar nuevos mundos más allá. (Cortesía de la NASA )}