10.12.2022. - Когда мы вернемся на окраины Солнечной системы

Когда мы вернемся на окраины Солнечной системы

Прошло более 35 лет с тех пор, как космический корабль посетил Уран и Нептун. Это был "Вояджер-2", и он совершал только облеты. Мы когда-нибудь вернемся? Об этих очаровательных ледяных гигантах и их спутниках ждут открытия. Но сложные миссии на Марс и Луну съедают бюджеты и отодвигают в сторону другие начинания. Новая статья, доступная на сервере препринтов arXiv, показывает, как мы можем дешево и быстро отправлять космические корабли к Урану и Нептуну, не прерывая марсианские и лунные миссии. Требования более глубоких, научно обоснованных миссий на Марс и Луну сокращают бюджеты НАСА, ЕКА и других агентств. Но дальше в Солнечной системе есть удивительные миры, которые так и просят исследовать. Особенно ледяные гиганты Уран и Нептун.

НАСА сейчас уделяет большое внимание Марсу и Луне. Возможная миссия по возврату образцов с Марса будет ресурсоемкой, как и программа Artemis. Но ледяные гиганты тоже требуют внимания, хотя мы никогда не сможем приземлиться на них или взять у них образцы. Они сыграли роль в эволюции Солнечной системы, они похожи на многие экзопланеты, которые мы находим в далеких солнечных системах, и наши краткие встречи с ними давали нам лишь дразнящие проблески. Последним космическим кораблем, пролетевшим мимо Урана, был «Вояджер-2» в 1986 году, и он был единственным. Он оказался в пределах 81 500 километров (50 600 миль) от вершин облаков планеты. «Вояджер-2» был также последним и единственным космическим кораблем, пролетевшим мимо Нептуна, который в 1989 году оказался на высоте 4 800 километров (2 983 мили) над северным полюсом планеты. Представьте, что могут открыть специальные орбитальные аппараты с современными технологиями.

Космический телескоп Хаббл попытался заполнить пробелы в нашем понимании пары ледяных гигантов Солнечной системы. Но он изо всех сил пытается раскрыть детали на расстоянии. Космический телескоп Джеймса Уэбба продемонстрировал свою способность изучать планеты Солнечной системы с помощью захватывающих изображений Юпитера, но у него есть и другие задачи. Наблюдения на расстоянии всегда будут иметь свои ограничения и никогда не смогут заменить специально разработанные миссии. Филип Хорземпа из колледжа ЛеМойн в Сиракузском университете говорит, что мы можем исследовать и Уран, и Нептун, если будем руководствоваться двумя простыми словами: просто и доступно. В официальном документе, представленном в Национальную академию наук, Хорземпа излагает аргументы в пользу создания пары орбитальных аппаратов для посещения Урана и Нептуна. Он объясняет, что они не должны быть новаторскими проектами, и они не должны быть флагманскими миссиями.

Вместо этого НАСА могло бы быстро разработать миссии к обоим ледяным гигантам, которые могли бы собрать важные научные данные, не нарушая их бюджета. Приближаются окна запуска миссий к обеим планетам, и вместо того, чтобы предлагать сложные миссии, которые никогда не будут одобрены, НАСА должно разработать разумные миссии, которые могут улучшить наше понимание обоих миров. Хорземпа отмечает, что для этого есть исторический прецедент. Некоторые из лучших миссий НАСА были запущены только как более оптимизированные и дешевые версии их первоначальных предложений. Посадочные модули Viking Mars в конечном итоге были запущены как более оптимизированные версии первоначального предложения миссии. Программа «Большой тур» НАСА в 1970-х годах предусматривала четыре зонда: два должны были посетить Юпитер, Сатурн и Плутон. Еще двое побывали бы на Юпитере, Уране и Нептуне. Но программа была чрезвычайно дорогой и была отменена. Вместо этого НАСА запустило «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Миссия «Новые горизонты» и солнечный зонд «Паркер» имеют схожую предысторию.

Время имеет решающее значение. Позднее в этом десятилетии появятся два стартовых окна, в которых можно будет воспользоваться гравитационными маневрами Юпитера. «Чтобы воспользоваться первой помощью Юпитера, необходимо, чтобы Фаза А для орбитального аппарата Нептун началась в 2022 году», — пишет Хорземпа, поэтому время уходит. «Эта сокращенная временная шкала диктует использование простого корабля без зонда атмосферы». Идеальные миссии к обеим планетам включали бы орбитальные аппараты и атмосферные зонды. У обеих планет, вероятно, есть твердые ядра, но остальная часть их состава очень странная и может включать области, где метан разлагается на кристаллы алмаза, которые падают вниз, как градины, в океаны жидкого углерода. Нам предстоит многое узнать об Уране и Нептуне и их атмосферах, но более подробные исследования с помощью зондов придется подождать.

По словам Хорземпы, отказ от атмосферного зонда — это компромисс, на который стоит пойти, если это означает, что миссия может быть запущена с использованием гравитационных маневров. «Ключом к доступности является отделение миссий зондов от орбитальных аппаратов», — пишет он. Это делает орбитальные аппараты более простыми и дешевыми, что увеличивает вероятность их одобрения. По словам Хорземпа, зонды могут появиться позже, что может быть преимуществом для будущих миссий по исследованию атмосферы для обоих ледяных гигантов. «Орбитальные аппараты будут иметь 1-й приоритет в очереди на запуск. Поскольку программа «Зонд» не будет привязана к работе орбитального аппарата, темп ее миссии будет определяться факторами, уникальными для изучения атмосфер гигантских планет».

Все космические корабли — это высокотехнологичные разработки, но сами орбитальные аппараты — это наиболее хорошо изученная конструкция. Роверы чрезвычайно сложны, и миссии по возврату образцов еще больше усложняют задачу, хотя ни одна из них не имеет прямого отношения к ледяным гигантам. Ограничение миссий ледяных гигантов только орбитальными аппаратами делает миссии выполнимыми. «Орбитальные корабли ледяного гиганта будут основываться на опыте предыдущих подобных миссий. К настоящему времени промышленность «выяснила», как строить такие корабли», — пишет Хорземпа. Для НАСА 2020-е годы — десятилетие жесткой конкуренции за ресурсы. Их бюджет будет сокращен из-за Artemis, Mars Sample Return и других программ, таких как программа Lunar Discovery. Но поскольку миссии к ледяным гигантам могут занять так много времени, мы рискуем не получить новых данных ни с одной из планет в течение 40 лет, если НАСА не примет меры сейчас. «Если мы хотим получить какие-либо новые данные в ближайшие 20–40 лет, необходим радикально новый подход», — говорит Хорземпа.

Одним из важнейших элементов простых и доступных миссий является источник питания. Солнечной энергии не хватает в окрестностях ледяных гигантов. Космические аппараты, путешествующие так далеко, спроектированы на основе радиоизотопных термоэлектрических генераторов. Они содержат радиоактивные изотопы, которые распадаются и выделяют тепло, которое затем преобразуется в электричество. Это тип системы, которую использует миссия New Horizons к Плутону. К сожалению, разработка РИТЭГов следующего поколения была отменена. Его называли усовершенствованным MMRTG, и он должен был обеспечивать большую мощность, чем предыдущие RTG. У НАСА есть планы по созданию РИТЭГа следующего поколения, но к нему не привязаны точные даты и нет гарантий, что он будет построен.

Это означает, что стандартный MMRTG (многоцелевой радиоизотопный тепловой генератор) и солнечная энергия являются единственными доступными вариантами. По словам Хорземпы, орбитальные миссии все еще выполнимы. «Это ограничение означает, что корабль ледяного гиганта должен будет очень экономно расходовать энергию». Это также означает, что орбитальный аппарат Урана может быть вынужден обходиться солнечной энергией, потому что для создания РИТЭГов требуется время, и они могут понадобиться для других целей. (И MSL Curiosity, и марсоход Perseverance используют MMRTG.) Для далекого Нептуна единственным вариантом является RTG. «Два быстрых, простых и доступных (FSA) орбитальных аппарата могут быть запущены, если один из этих кораблей будет работать на солнечной энергии», — объясняет Хорземпа. «Физика диктует, что для орбитального аппарата «Нептун» должен использоваться один MMRTG».

Благодаря постоянному техническому прогрессу солнечная энергия теперь является возможным источником энергии для орбитального аппарата Урана, если строго контролировать энергопотребление. Новые конструкции на 20% легче и на четверть меньше по сравнению с предыдущими панелями, обеспечивая при этом ту же выходную мощность. «Панели ROSA (Roll-Out Solar Array) и Mega-ROSA могут обеспечивать мощность 200–400 Вт при расстоянии 20 а.е.», — пишет Хорземпа. «Первый массив РОСА был запущен к МКС в 2017 году и продемонстрировал свои возможности». При меньшем количестве доступной энергии необходимо будет принимать решения о полезной нагрузке для науки. Слова «простота и доступность» по-прежнему являются руководящими идеями, и Хорземпа обрисовывает в общих чертах, как можно адаптировать научную полезную нагрузку. Очевидным первым шагом является ограничение количества научных устройств.

В качестве флагманской миссии «Юнона» к Юпитеру установлено девять научных инструментов. Одна из них, JunoCam, была включена исключительно для предоставления изображения в оптическом свете для остальных из нас, и на самом деле она не является научным инструментом. Простые и доступные орбитальные аппараты для ледяных гигантов не будут иметь такой полезной нагрузки, как Juno. Но, возможно, по иронии судьбы камера с высоким разрешением, вероятно, является основным инструментом для миссий на Уран и Нептун. «При ограниченной полезной нагрузке первоочередное внимание уделяется визуализации», — пишет Хорземпа. «Спутники Урана и Нептуна остро нуждаются в полном и подробном фотографическом покрытии». Хорземпа отмечает, что создание диаграмм — это первый шаг в исследовании, «… традиция, которой тысячи лет», — объясняет он.

«Эти базовые карты будут создаваться камерами с высоким разрешением и контекстными камерами», — говорит он, а добавляя датчики ближнего ИК-диапазона, орбитальные аппараты могут исследовать атмосферу и кольцевые системы. Отделение миссий зонда от миссий орбитальных аппаратов — один из способов разработки миссий, которые будут быстрыми и доступными. Но исследовательские миссии слишком важны, чтобы их полностью игнорировать. Хорземпа объясняет, что, хотя технология орбитальных аппаратов хорошо зарекомендовала себя и может быть использована с большей готовностью, технология зондирования отстала. Предложения по зонду Сатурн были отклонены, и эта технология осталась в упадке. Прежде чем мы сможем отправить атмосферные зонды к ледяным гигантам, мы должны отправить их на Сатурн.

«Первоначальной миссией должен был стать Зонд Сатурна. Это удовлетворило бы давнюю цель и развило бы технологию, необходимую для почти идентичных Зондов для Урана и Нептуна», — пишет он. Он также говорит, что Decadal Survey должен «… выступать за совместные миссии KBO-Ice Giant Probe». В своем официальном документе Хорземпа продолжает возвращаться к идее о том, что флагманские миссии, которые пытаются выполнить слишком много сразу, скорее всего, будут отвергнуты. Хотя флагманские миссии, включая зонды, не являются приоритетом в миссиях ледяных гигантов, не следует забывать и о зондах. Идея орбитальных миссий к Урану и Нептуну имеет больше смысла, если есть также планы будущих атмосферных зондов. «Флагманские миссии прекрасны, но они бесполезны, если они настолько сложны, что никогда не

получить финансирование и никогда не летать», — пишет он. Он называет это «ловушкой сложности». «Менее амбициозные миссии дадут меньше науки, но у них больше шансов достичь желанного нового старта».

НАСА рассматривает концепцию миссии к Урану и его спутникам. Он называется Uranus Orbiter and Probe, и это флагманская миссия, которая может быть запущена в 2031 году. Она рассматривалась вместе с аналогичной миссией к Нептуну под названием Neptune Odyssey. Флагманская миссия к Урану имеет логический смысл, потому что она следует за аналогичными миссиями к Юпитеру и Сатурну (Юнона и Кассини). Но ее потенциальные расходы означают, что она может быть не одобрена или не развернута вовремя. Аргумент Хорземпы состоит в том, что мы можем посетить обоих ледяных гигантов дешево и быстро, если сократим количество миссий. В конечном счете, команда Decadal Survey должна найти правильное сочетание. «В этом документе не предлагается конкретный проект, а скорее предлагается команде Decadal одобрить конкурентный подход к исследованию систем ледяных гигантов», — заявляет Хорземпа в своем заключении. Он говорит, что НАСА должно установить стоимость, обозначить цели и позволить коммерческому сектору заняться этим. Это вызовет здоровую конкуренцию.

Никогда не бывает недостатка в стоящих миссиях. Успешные миссии в пункты назначения по всей Солнечной системе только пробудили в нас желание большего. Прошло более 35 лет с тех пор, как "Вояджер-2" совершил краткий облет ледяных гигантов. Камеры этого космического корабля по сути были телекамерами 1970-х годов. Подумайте, насколько технологии продвинулись с тех пор и как многому мы можем научиться у современных орбитальных аппаратов. Horzempa приводит веские доводы в пользу быстрых, простых и доступных миссий, которые могут использовать преимущества быстро приближающихся окон запуска. Должно ли НАСА воспользоваться этой возможностью?

Источник