«Бесплатный» полет к Сатурну: ученые предложили идею уникальной миссии

Аэрокосмические инженеры из Италии и Объединенных Арабских Эмиратов разработали уникальную концепцию зонда для исследования спутников Сатурна. Они описали свою идею в недавней статье.

В целом она состоит в том, чтобы космический аппарат не совершал всего лишь быстрые пролеты мимо небесных тел, а подолгу «висел» около них и рассматривал с разных точек зрения. При этом предлагается не тратить на перемещение по системе газового гиганта огромное количество топлива, как это делалось до сих пор, а вместо этого использовать естественную, «бесплатную» силу — гравитацию планеты и ее лун.

В качестве примера для сравнения ученые привели знаменитую миссию «Кассини», которая за 13 лет пребывания возле Сатурна облетела 9 его спутников. Лучше всего удалось понаблюдать Титан (тот самый спутник с плотной атмосферой и метановыми океанами): зонд пролетел мимо него 117 раз. 23 раза он проследовал возле знаменитого обладателя подледного океана и гигантских гейзеров — белоснежного Энцелада.

А вот, к примеру, Мимас удалось рассмотреть лишь однократно и с расстояния в целых 9500 километров, хотя он крайне любопытен: у него внутри тоже подозревают наличие подповерхностного океана.

Спутник Сатурна МимасИсточник: NASA

В любом случае авторы новой концепции подчеркивают, что даже близкие и многочисленные пролеты — не совсем то, что нужно планетологам: по итогам таких наблюдений создается всё же «обрывочная» картина. Конечно, можно выйти на орбиту вокруг спутника, но это требует огромных топливных расходов и сильно ограничивает миссию в смысле ее целей.

Именно эти проблемы и решает нынешняя идея инженеров. Они предлагают запустить зонд к спутникам Сатурна по следующему маршруту: Рея, Диона, Тефия, Энцелад и Мимас. По расчетам, аппарат сможет продержаться возле каждого из них как минимум почти сутки, а в случае Реи — четыре с половиной дня подряд. В общей сложности облет всех пяти лун займет три с небольшим года, а топлива на это израсходуется не 700 килограммов, как у «Кассини», а всего 232.

«Кассини» летел в основном на тяге большого химического двигателя. Для нового зонда предусматриваются намного более экономичные ионные электродвигатели на ксеноне либо криптоне. Но самое главное — хитрая траектория полета позволяет максимально эффективно использовать великолепный трюк, без которого не обходится практически ни одна межпланетная миссия — так называемый гравитационный маневр. Его суть в том, что приближение к планете космического аппарата на нужное расстояние под нужным углом приводит к его внезапному ускорению и перенаправлению: гравитация срабатывает как невидимая «праща».

Гравитационные маневры зонда Voyager 1

Как пишут инженеры, благодаря этому их новому зонду на подлете к Сатурну не потребуется тормозить и тратить топливо: вместо этого он оказывается возле Титана и позволяет гравитации этой массивной луны притормозить себя и удержать в системе газового гиганта.

А затем с помощью, по сути, микроимпульсов ионными двигателями малой тяги аппарат направляет себя к приближающейся Рее и обосновывается рядом с ней в очень комфортной точке — так называемой точке Лагранжа: там, где гравитация Сатурна и спутника друг друга уравновешивают, что позволяет там удерживаться на самом деле сколько угодно. Для перемещения к следующей луне опять ненадолго включаются двигатели, и зонд «паркуется» уже в ее в точке Лагранжа.

Расположение точек Лагранжа в системе Солнце-ЗемляИсточник: https://commons.wikimedia.org/

Кстати, в аналогичной точке «равновесия» между Землей и Солнцем, в полутора миллионах километров от нас сейчас работает прославленная обсерватория «Джеймс Уэбб» и еще несколько телескопов. Но системе Сатурна и его лун эти точки находятся всего в сотнях или максимум в паре тысяч километров от спутников, то есть довольно близко.

При этом, как и «Уэбб», зонд не будет постоянно находиться ровно в одном и том же месте: он будет все время обращаться вокруг этой невидимой точки равновесия. Это называется гало-орбитой. Более того, эта орбита постоянно наклоняется, смещается, и все это позволяет рассматривать луну с разных ракурсов и тем самым создавать объемную картину. Удастся и увидеть полюса, что особенно актуально для Энцелада: его гейзеры бьют из южной полярной области.

Конкретно в данном случае траектория полета предполагает запуск уже в 2028 году. Инженеры уверены, что технически к тому времени построить зонд можно, но только если миссию утвердят и профинансируют прямо сейчас. Впрочем, если момент будет упущен, в принципе можно рассчитать новый удобный и экономичный маршрут.