Астрономы думают о полетах к гигантским ледяным планетам

Каким может быть полет на гигантскую ледяную планету? Можно исследовать малопривлекательную поверхность спутника Урана Миранды или изучить странные массивные кольца Нептуна. Недавно планетологи спроектировали гипотетический полет на одну из ледяных планет нашей Солнечной системы.

Если бы у вас была возможность смоделировать свой заветный полет на Уран или Нептун, то как бы он выглядел?

Вы бы стали исследовать малопривлекательную поверхность спутника Урана Миранды? А может, странные и массивные кольца Нептуна? Или удивительное взаимодействие этих планет с солнечным ветром?

Но к чему выбирать одну-единственную цель, если можно сделать все сразу?

Недавно планетологи спроектировали гипотетический полет на одну из гигантских ледяных планет нашей Солнечной системы. Они выяснили, каким должен быть космический корабль мечты, летящий к Урану, с учетом последних инноваций и самых передовых технологий.

«Нам хотелось придумать технологии, которые реально расширяют горизонты, — сказал старший научный сотрудник Лаборатории реактивного движения и Калифорнийского технологического института в Пасадене Марк Хофштадтер (Mark Hofstadter). — Думать о том, что они появятся лет через 10, это никакое не безумие». Хофштадтер является автором внутреннего исследования Лаборатории реактивного движения, о котором он рассказал 11 декабря на осеннем заседании Американского геофизического союза.

Некоторые инновации являются естественным воплощением существующих технологий. Хофштадтер рассказывает о маленькой и легкой аппаратуре и о компьютерных микросхемах. Если использовать самые современные системы, можно уменьшить вес и освободить немало пространства на борту космического корабля. «Ракета может вывести в космос определенную массу, — говорит он, — и поэтому каждый сэкономленный килограмм конструкции позволяет поставить дополнительные научные приборы».

Ядерный ионный двигатель

В космическом корабле мечты есть две хорошо зарекомендовавшие себя в космосе технологии, которые в сочетании дали совершенно новый двигатель, получивший название электрическая силовая установка на радиоизотопах (ЭСУР).

Космический корабль работает точно так же, как и любая другая машина. Аккумуляторная батарея дает энергию для питания бортовых систем и запуска двигателя. Топливо проходит через двигатель, где происходит химическая реакция и возникает реактивная сила, приводящая корабль в движение.

В космическом корабле мечты батарея получает энергию в результате радиоактивного распада плутония, который является предпочтительным источником энергии при полете во внешней части Солнечной системы, где мало солнечного света. «Вояджер 1», «Вояджер 2», «Кассини» и «Нью Хорайзонс» имели радиоизотопный источник энергии, но применяли гидразиновое горючее в химическом двигателе, который быстро доставлял их в дальние уголки Солнечной системы.

В ионном двигателе в качестве топлива используется газ ксенон. Ксенон ионизирован. Электрическое поле ускоряет ионы ксенона, и он покидает космический корабль в виде выхлопного газа. На космических аппаратах «Дип Спейс 1» и «Дон» использовали именно такой тип двигателя, но энергию они получали от больших солнечных панелей, которые работают лучше всего во внутренней части Солнечной системы, где совершается большая часть космических полетов.

Газ ксенон очень стабилен. Космический корабль может перевозить его в больших количествах в емкости под давлением. Это позволяет увеличить продолжительность полета. «ЭСУР дает нам возможность исследовать все районы гигантской ледовой системы: кольца, спутники, и даже окружающую их магнитосферу, — сказал Хофштадтер. — Мы можем лететь, куда захотим. Мы можем провести там столько времени, сколько нам нужно. Это дает нам замечательную свободу действий».

Беспилотный космический аппарат

Космический корабль мечты с установленным на нем ЭСУР может пролететь мимо колец, лун и самой планеты в 10 раз медленнее, чем аппарат с обычным двигателем химического сгорания. Перемещаясь на небольшой скорости, корабль мечты может делать четкие снимки высокого разрешения с большой экспозицией. Но чтобы использовать все возможности ионного двигателя, космическому аппарату нужна бортовая навигационная автоматика.

«Мы точно не знаем, где находится спутник Урана, и где находится космический аппарат [относительно этой луны]», — сказал Хофштадтер. Большая часть спутников этой планеты видна только издалека, а подробности о их размерах и орбитах неизвестны. «Из-за такой неопределенности надо всегда держаться на приличном расстоянии от объекта, который рассматриваешь, чтобы не врезаться в него», — добавил он.

«Но если есть уверенность, что космический корабль при помощи камеры увидит местоположение спутника и скорректирует свою орбиту, то можно подобраться близко к спутнику и не врезаться в него, — отметил ученый. — Можно подойти намного ближе, чем тогда, когда готовишь пролет с Земли, потому что в этом случае задержка связи составляет пять с лишним часов».

Автономного навигационного оборудования такого уровня на космических кораблях раньше не было. Вездеход НАСА «Кьюриосити» имеет ограниченную возможность составлять траекторию движения между двумя пунктами. А межпланетная станция «ОСИРИС-Рекс» сможет выявлять опасности и прекращать забор проб.

Корабль мечты будет больше похож на беспилотный автомобиль. Например, он будет знать, что ему придется облетать спутник Урана Офелию. Он сам подготовит для себя низкую траекторию полета над поверхностью, чтобы посетить интересные места, такие как территория хаоса. А еще этот корабль будет лавировать, облетая неожиданные препятствия типа острых утесов и скал. Если он пропустит что-то интересное, у него будет достаточно топлива, чтобы сделать еще один проход.

Трио спускаемых аппаратов

Получив дополнительное пространство благодаря компактной электронике, а также возможность летать медленно и низко над поверхностью, которую ему обеспечит ЭСУР и система автономной навигации, корабль мечты сможет взять на борт спускаемые аппараты, которые можно будет без проблем сбросить на поверхность спутников Урана.

«Мы спроектировали полет с тремя маленькими спускаемыми аппаратами, которые можно будет посадить на любом из спутников», — рассказал Хофштадтер. Размеры, форма и возможности эти аппаратов могут быть любыми, от простых камер до полного набора приборов, чтобы измерять гравитацию, состав грунта и даже сейсмичность.

Космический корабль мечты сможет обследовать все 27 спутников Урана, начиная с самого большого Титании и кончая самым маленьким Купидоном, диаметр которого составляет всего 18 километров. Затем команда сможет решить, как наилучшим образом задействовать спускаемые аппараты.

«Нам не нужно решать заранее, на какие спутники их сажать, — сказал Хофштадтер. — Мы можем подождать, пока не доберемся туда. Мы можем посадить все аппараты на одном спутнике, создав маленькую сейсмическую сеть для поиска лунных землетрясений и изучения его внутренностей. А может, мы решим, что лучше посадить эти аппараты на три разных спутника».

Глазурь на торте

Проводившие внутреннее исследование ученые признают, что включить все эти инновационные технологии в один полет просто нереально. Это будет очень рискованно и дорого, говорит Хофштадтер. Более того, испытанная в космосе техника, которая применялась на борту «Кассини», «Новых горизонтов» и «Юноны», вполне может сделать увлекательные научные открытия на ледяных гигантах. А инновации станут дополнением к этой аппаратуре.

В данный момент НАСА не готовится к полетам на Уран и Нептун. В 2017 году Хофштадтер со своими коллегами настойчиво говорил о том, что необходимо совершить полет на один из ледяных гигантов, и сейчас они надеются, что технологии будущего вдохновят кого-то на разработку предложения о таком полете.

«Это почти как глазурь на торте, — сказал он. — Мы говорили, что если применить новые технологии, можно сделать много нового, и это обеспечит большой научный успех».