|
Новая концепция астробиологической миссии на Энцелад
|
|
|
|
В этом году на конференции по изучению Луны и планет (2025 LPSC) было представлено несколько поистине поразительных презентаций и предложений. Они охватывали широкий спектр научных и исследовательских миссий, направленных на решение приоритетных задач НАСА, других космических агентств и связанных с ними институтов. Основной областью интереса были будущие астробиологические миссии, которые будут направлены на поиск свидетельств биологических процессов (биосигнатур) на внеземных телах. Это включало Марс, на котором сосредоточена большая часть наших усилий в области астробиологии, и места во внешней части Солнечной системы.
|
|
|
|
Рассмотрим Энцелад, ледяной спутник Сатурна, известный своей активностью в южной полярной области. Основываясь на планетарном моделировании, ученые предполагают, что эти шлейфы вызваны приливными изгибами в недрах Луны. Это приводит к тому, что внутренний океан Энцелада выходит на поверхность (криовулканизм) и выбрасывает вещество в космос. Чтобы подтвердить наличие органики и (потенциально) жизни, команда из Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL) предлагает орбитальный аппарат Enceladus для проведения натурных измерений шлейфов Энцелада.
|
|
|
|
Исследованием руководил Альфред Нэш, исследователь JPL, лауреат премии JPL Principal Designation Award (2015) за разработку системных решений для проектов и ведущий инженер Team X, передовой проектной группы JPL, отвечающей за быструю разработку инновационных концепций космических полетов. К нему присоединились его коллеги по команде X JPL из Калифорнийского технологического института (Caltech).
|
|
|
|
|
|
|
Согласно их исследованию, их предложение о миссии соответствует десятилетнему обзору планетологии и астробиологии на 2023-2032 годы ("Происхождение, миры и жизнь"), опубликованному в 2022 году. В этом обзоре комитет Национальной академии наук, инженерии и медицины (NASEM) определил флагманскую миссию к Энцеладу (состоящую из орбитального аппарата и посадочного модуля) в качестве второй по приоритетности для миссий, разработанных до 2032 года:
|
|
|
|
"Изучение материала шлейфа позволяет непосредственно изучать обитаемость океана, отвечая на фундаментальный вопрос: есть ли жизнь за пределами Земли, и если нет, то почему? Орбитальный аппарат Orbilander проанализирует свежий материал шлейфа с орбиты и во время двухлетней наземной миссии. Его основными научными целями являются (1) поиск свидетельств существования жизни; и (2) получение геохимических и геофизических данных для экспериментов по обнаружению жизни."
|
|
|
|
С тех пор как миссия Кассини-Гюйгенса (2004-2017) изучала Сатурн и его крупнейшие спутники, ученым не терпелось получше рассмотреть Энцелад. Подобно спутнику Юпитера Европе и крупнейшему спутнику Сатурна Титану, Энцелад считается одним из самых многообещающих мест для поиска внеземной жизни в Солнечной системе. Из-за расстояния между Землей и Сатурном концепции миссий обычно предусматривают использование радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГов) в качестве источника питания.
|
|
|
|
Эти ядерные батареи питали астробиологические миссии, такие как марсоходы Curiosity и Perseverance, а также космические аппараты Galileo и New Horizons. По крайней мере, три ритэга питали орбитальный аппарат Cassini, что было сочтено необходимым, поскольку солнечные батареи неэффективны на таком удалении от Солнца. Однако, как объясняют Нэш и его команда, НАСА указало, что запасы ритэгов ограничены из-за их стоимости и сложности, особенно в том, что касается топлива из плутония-238.
|
|
Архитектура миссии
|
|
|
|
Архитектура миссии, которая получилась в результате, состояла из двухступенчатого космического аппарата, состоящего из посадочного модуля и ступени для выведения на орбиту Сатурна (SOI). Эта миссия должна была начаться в ноябре 2038 года с использованием одноразовой версии ракеты Falcon Heavy и твердотопливного ракетного двигателя Star 48. Эта миссия потратит следующие 7,5 лет на полет к Сатурну, после чего в течение одного года приблизится к Сатурну и выйдет на орбиту Энцелада. За этим последуют полгода быстрых облетов Энцелада.
|
|
|
|
Они подсчитали, что орбитальный аппарат мог бы взять пробы материала шлейфа двенадцать раз в течение этой фазы, пролетая на расстоянии 50 км (31 мили) от поверхности со скоростью 5-9 км/с (3-5,5 миль/с). За этим последует 2,6-летний тур по Сатурну и этап выведения на орбиту Энцелада (EOI), на котором космический аппарат выполнит гравитационную коррекцию, чтобы снизить высоту и скорость полета до 30 км (18,5 миль) и 500-900 м/с (0,3–0,5 миль/с). Миссия потратит еще 3,5 месяца и возьмет пробы шлейфового материала еще восемь раз.
|
|
|
|
Затем миссия снизит высоту полета до 50 км (31 мили) и проведет год в поисках места посадки. Будет проведен этап DDL, за которым последуют два года наземных работ, в течение которых спускаемый аппарат соберет и проанализирует образцы ледяной коры Луны, включая воду и материал шлейфа, который повторно замерз на поверхности. Команда также представляет альтернативную миссию программы New Frontiers (NF), которая также соответствует рекомендациям, изложенным в Десятилетнем обзоре 2023 года:
|
|
|
|
"Если бюджетные ограничения не позволят запустить орбитальный аппарат, комитет включит тему миссии многократного облета Энцелада (EMF) в программу NF. EMF обеспечивает альтернативный путь для достижения прогресса в этом десятилетии в решении важнейшего вопроса о пригодности мирового океана для жизни, хотя и при значительном сокращении объема проб, более высокой скорости сбора проб и связанной с этим деградации, а также при меньшем количестве компонентов прибора для поддержки обнаружения жизни".
|
|
|
|
Дизайн
|
|
|
|
Команда рекомендует концепцию меньшего размера, веса, мощности и стоимости (SWaP-C) для предлагаемого ими орбитального модуля "Энцелад". Команда X использовала стандартные инструменты и проверенные модели институциональных затрат (ICM) для оценки концепции своей миссии и внедрения технологий, которые могут быть разработаны в течение следующих пяти лет. Эти технологии были оценены с точки зрения их способности минимизировать сухую массу космического аппарата и позволить миссии выполнять свои научные задачи, используя только одну ритэговую энергетическую систему нового поколения.
|
|
|
|
Они отказываются от реактивных колес для управления ориентацией и вместо этого выбирают двухдвигательные двигатели на холодном газе. Высокопроизводительный космический компьютер (HPSC) будет управлять системами управления и передачи данных. Для схода с орбиты, снижения и посадки (DDL) была выбрана интеллектуальная система посадки Lite. Подсистема питания включает в себя архитектуру распределенного питания (DPA) и систему отслеживания пиковой мощности (PPT), которые уменьшают общую массу кабеля и обеспечивают стабильную работу RTG при напряжении 30 вольт, увеличивая мощность, получаемую от RTG.
|
|
|
|
Все эти элементы были выбраны потому, что они уменьшают общую массу космического аппарата и потребляемую мощность вдвое по сравнению с приборами, используемыми сегодня. Двигательная установка использует усовершенствования, внесенные в низкотемпературные системы подачи холодного газа, для снижения энергопотребления нагревателя, а серия композитных оберточных баков была выбрана из-за их уменьшенной массы. Для связи орбитальный аппарат будет использовать антенну X-диапазона со средним коэффициентом усиления (MGA) и антенну с патч-решеткой с высоким коэффициентом усиления (HGA), расположенную под углом 10°.
|
|
|
|
Усовершенствованные радиоизотопные нагревательные устройства (RHU) будут работать с тепловыми системами космического аппарата, сокращая количество RHU, необходимых для нагрева двигателей и приборов космического аппарата. Как заключает команда, в результате такого конструктивного решения стартовая масса системы на 846 кг (1865 фунтов) меньше, чем предполагалось по результатам оценки технических рисков и затрат (TRACE), проведенной в ходе десятилетнего исследования, и на 900 миллионов долларов дешевле.
|
|
Выводы
|
|
|
|
В целом, разработанный командой проект "сначала снижение энергопотребления" предлагает экономичную, маломассивную и упрощенную концепцию астробиологической миссии на Энцелад в ближайшие десятилетия. Они утверждают, что, внедряя передовые и развивающиеся технологии, это может привести к созданию архитектуры, способной доставлять на поверхность большую полезную нагрузку, предоставляя расширенные научные возможности:
|
|
|
|
"Такой подход не только снижает требования к ракете-носителю и общую стоимость полета, но и обеспечивает техническую осуществимость в установленные десятилетием сроки. Эти результаты подчеркивают жизнеспособность подхода с более низким содержанием SWaP-C как пути к ускорению прогресса в этом десятилетии в решении важнейшего вопроса об обитаемости мирового океана, что является важным шагом вперед в реализации научных приоритетов, изложенных в Десятилетнем обзоре".
|
|
|
|
Источник
|
