Спросите Итана: можем ли мы отправить миссию типа Кассини к Урану или Нептуну?


Вояджер-2 пролетел мимо Урана (справа) и Нептуна (слева), открыв нам их свойства, цвета, атмосферы и системы колец. У обеих планет нашлись кольца, много интересных лун, и атмосферные, а также поверхностные явления, которые только и ждут наших расследований.

Наблюдая с нашего местоположения в Солнечной системе за далёкими уголками Вселенной при помощи мощных наземных и космических обсерваторий, мы увидели и узнали столько всего, сколько никогда не мечтали. Однако всё ещё не придумано замены реальному путешествию к далёким местам – этому нас научили наши специальные миссии, отправленные к различным планетам. И, несмотря на все ресурсы, потраченные на изучение планет, к Урану и Нептуну летала всего одна миссия: Вояджер-2. Каковы наши перспективы на запуск орбитальной станции к этим внешним мирам? Это хочет узнать наш читатель, который спрашивает:

Приближается окно, во время которого можно отправить космический корабль к Урану и Нептуну с использованием Юпитера в качестве гравитационного ускорителя. Каковы ограничения на использование этого ускорения, но с необходимостью притормозить, чтобы выйти на орбиты вокруг наших “ледяных гигантов”?

Давайте посмотрим.


На первый взгляд между мирами размером с Землю и размером с Нептун есть огромный разрыв, но на самом деле каменистой планета может оставаться, будучи не более, чем на 25% больше Земли. И если у Юпитера и Сатурна есть огромные газовые покрывала, составляющие до 85% от этих планет, Нептун и Уран отличаются от них довольно сильно – у них атмосфера должна скрывать огромные жидкие океаны.

Солнечная система устроена довольно сложно, но, к счастью, стандартно. Лучший способ выбраться на окраину Солнечной системы, то есть, добраться до любой планеты за Юпитером – это использовать сам Юпитер. Согласно физике, когда небольшой объект (типа космического корабля) пролетает мимо массивного и стационарного (типа звезды или планеты), гравитационная сила последнего может чрезвычайно сильно изменить скорость первого.

Но в присутствии третьего объекта, важного с гравитационной точки зрения, вся история немного меняется – и это существенно для путешествия к краю Солнечной системы. Космический корабль, пролетающий мимо планеты, связанной с Солнцем, может приобрести или потерять скорость, позаимствовав или отдав импульс системе планета/Солнце. Массивной планете будет всё равно, а космический корабль может получить помощь в разгоне (или торможении), в зависимости от траектории.


Гравитационный манёвр, изображённый здесь, может помочь космическому кораблю увеличить его скорость при помощи гравитации

Гравитационный манёвр подобного рода был необходим для запуска Вояджера-1 и Вояджера-2 за пределы Солнечной системы, а позднее – для доставки станции “Новые горизонты” к Плутону. И хотя у Урана и Нептуна потрясающе долгие периоды орбиты – 84 и 165 лет соответственно, окошки для отправки к ним миссий открываются примерно раз в 12 лет – каждый раз, когда Юпитер завершает свою орбиту.

Космический корабль, запущенный с Земли, обычно несколько раз пролетает мимо одной из внутренних планет, готовясь к гравитационной помощи Юпитера. Пролетая мимо планеты, космический корабль может подвергнуться эффекту гравитационной пращи, увеличив скорость и энергию. Если б мы захотели запустить миссию к Нептуну сегодня, то гравитационное расположение планет как раз позволило бы нам это сделать. А до Урана добраться ещё проще, поскольку он ближе.


Траектория полёта зонда Мессенджер, оказавшегося на успешной, стабильной орбите вокруг Меркурия после нескольких гравитационных манёвров. Похожим образом можно отправиться и на внешние рубежи Солнечной системы, только гравитацию нужно использовать для увеличения, а не уменьшения гелиоцентрической скорости.

Десять лет назад поступило предложение о запуске миссии Арго: корабль мог бы пролететь мимо Юпитера, Сатурна, Нептуна и пояса Койпера, и окно для его запуска приходилось на промежуток с 2015 по 2019 года. Но миссии с пролётом мимо планет проводить легко, поскольку корабль не надо замедлять. Вывести корабль на орбиту вокруг планеты гораздо сложнее, но и гораздо интереснее.

Вместо одного пролёта орбитальная станция может сделать обзор всего мира, по нескольку раз, и в течение продолжительного времени. Можно наблюдать за изменениями атмосферы планеты, изучать их в непрерывном режиме на различных длинах волн, невидимых человеческому глазу. Можно обнаружить новые луны, кольца, новые неожиданные явления. Можно даже отправить вниз спускаемый аппарат или зонд, на планету или одну из её лун. Всё это и многое другое уже происходило в окрестностях Сатурна с недавно завершившейся миссией Кассини.


Изображения северного полюса Сатурна от 2012 (слева) и 2016 (справа), сделанные широкоугольной камерой Кассини. Цвет изменился из-за изменений химического состава атмосферы под воздействием фотохимических процессов.

Кассини узнал не только физические свойства Сатурна и его атмосферы, хотя и это было проделано великолепно. Он не просто сфотографировал и изучил кольца, хотя и это было сделано. Самое невероятное состояло в наблюдении за изменениями и кратковременными событиями, которые мы никогда не смогли бы предсказать. На Сатурне происходят сезонные изменения, что приводит к изменению химического состава и цвета его полюсов. Колоссальный шторм зародился на Сатурне, объял всю планету и продолжался много месяцев. У колец Сатурна обнаружились ярко выраженные вертикальные структуры, меняющиеся со временем; они динамические, а не статические, и дают нам примеры, на основе которых мы изучаем формирование планет и лун. С этими данными мы смогли решить старые задачи и открыть новые загадки, связанные с его спутниками: Япет, Титан и Энцелад.


В течение 8 месяцев в Солнечной системе бушевал крупнейший шторм, окруживший газового гиганта целиком – он был способен вместить в себя 10-12 планет, подобных Земле.

Нет сомнений, что мы хотели бы проделать то же самое с Ураном и Нептуном. Уже было предложено много орбитальных миссий для этих планет, и некоторые предложения дошли до этапа внесения миссии на рассмотрение, но ни одну из них не выбрали для постройки. НАСА, ЕКА, Лаборатория реактивного движения, Британия – все они предложили варианты орбитальных миссий для Урана, находящиеся в процессе рассмотрения, но что принесёт с собой будущее – никто не знает.

Пока что мы изучаем эти миры издалека. Но есть огромные надежды на будущую миссию, которую можно будет реализовать через много лет, когда окна запуска для достижения каждого из миров сойдутся вместе. В 2034 году концептуальная миссия ODINUS отправит идентичные орбитальные аппараты одновременно к Урану и Нептуну. Миссия будет потрясающим совместным проектом НАСА и ЕКА.


Два последних, самых внешних кольца Урана, открытых Хабблом. Мы уже открыли много подробностей структуры внутренних колец Урана при помощи пролёта Вояджера-2, но орбитальный корабль смог бы показать нам гораздо больше.

Одной из основных, центральных миссий, предложенных для проводящихся каждые десять лет научных обзоров, в 2011 году стала миссия к Урану, состоящая из зонда и орбитального аппарата. Эту миссию поставили третьей по приоритету, после марсохода 2020 года и орбитального корабля Europa Clipper. Миссия к Урану могла бы стартовать в 2020-х, окно шириной в 21 день открывается каждый год: когда Земля, Юпитер и Уран достигают оптимальных позиций. Орбитальный аппарат должен был нести на себе три отдельных инструмента, предназначенных для фотографирования и измерения различных свойств Урана, его колец и лун. У Урана и Нептуна под поверхностью их атмосфер должны существовать огромные жидкие океаны, и орбитальный корабль должен был бы с определённостью это подтвердить. Атмосферный зонд измерил бы молекулы, из которых состоят облака, распределение тепла и изменение скоростей ветра с глубиной.

Оплатите подписку, и реклама отключится


Миссия ODINUS, предложенная ЕКА в качестве совместного предприятия с НАСА, могла бы изучить Нептун и Уран при помощи двух одинаковых орбитальных аппаратов.

Миссия ODINUS – происхождение, динамика, внутреннее строение Нептуновой и Урановой систем [Origins, Dynamics, and Interiors of the Neptunian and Uranian Systems] – предложенная европейской программой Cosmic Vision, заходит ещё дальше: она расширяет концепцию до двух одинаковых орбитальных аппаратов, которые отправились бы к Нептуну и Урану. Окно запуска откроется в 2034 году, когда Земля, Юпитер, Уран и Нептун выстроятся подходящим образом, что позволит отправить их одновременно.

Миссии близкого пролёта прекрасно подходят для первой встречи с планетой, поскольку о ней можно так много узнать с близкого расстояния. Они также отлично приспособлены для изучения нескольких целей, в то время, как орбитальные станции обречены оставаться рядом с одним миром. Наконец, орбитальным станциям приходится тащить с собою топливо, чтобы замедляться и заходить на стабильную орбиту, что сильно повышает стоимость миссии. Но, конечно, могу утверждать, что научные данные, полученные благодаря долговременному изучению планеты, оправдывают это с лихвой.


Находясь на орбите планеты, можно рассмотреть её со всех сторон, изучить её кольца, луны, их поведение с течением времени. К примеру, благодаря Кассини, мы открыли существование нового кольца, появившегося из-за захваченного астероида Феба, и его роль в затемнении половины загадочной луны Япет.

Текущие ограничения подобных миссий заключаются не в технических проблемах. Для того чтобы их запустить, технологии уже существуют. Трудности эти:

  • Политические: бюджет НАСА ограничен, и эти ресурсы должны служить на благо всему сообществу.
  • Физические: даже при помощи нового тяжёлого транспорта, беспилотных ракет, мы можем вывести на край Солнечной системы ограниченное количество массы.
  • Практические: на таких огромных расстояниях от Солнца солнечные панели будут бесполезны. Нам нужны радиоактивные источники питания для удалённых космических кораблей, и у нас их может оказаться недостаточно.

И последняя проблема может стать решающей.


Таблетка диоксида плутония-238, раскалённая благодаря собственной энергии. Плутоний-238 появляется как побочный продукт ядерных реакций, и используется для обеспечения энергии дальних космических кораблей, от Кьюриосити до сверхдальнего Вояджера.

Плутоний-238 – изотоп, появляющийся при переработке ядерного материала, и большая часть наших запасов сохранилась со времён, когда мы производили и наращивали ядерное оружие. Он прекрасно пригодился в радиоизотопных термоэлектрических генераторах в миссиях к Луне, Марсу, Юпитеру, Сатурну, Плутону и для нового семейства космических зондов, включая Пионеров и Вояджеров.

Но мы перестали производить его в 1988 году, а возможность купить его у России исчезла после того, как его перестали производить и там. Недавно начались попытки произвести новые запасы плутония-238 в национальной лаборатории Ок-Ридж, и к концу 2015 года его было произведено 57 грамм. Если его продолжат производить там, а также на электростанциях Онтарио, то к 2030 году мы сможем накопить необходимое количество плутония.


Составленные вместе фотографии с экспозицией в 591 секунду, полученные с широкоугольной камеры Вояджера-2, на которых видна вся система колец Нептуна. Уран и Нептун во многом схожи, но специально отправленная к ним миссия может обнаружить и небывалые различия.

Чем быстрее вы двигаетесь при встрече с планетой, тем больше топлива придётся нести с собой, чтобы замедлиться и выйти на орбиту. В случае миссии к Плутону шансов на это не было; аппарат “Новые горизонты” был слишком мал, а его скорость – слишком высока, к тому же, масса Плутона слишком мала для выхода на орбиту. Но это можно провернуть с Ураном и Нептуном, особенно, если выбрать правильный гравитационный манёвр у Юпитера, и, возможно, Сатурна. Если бы мы хотели изучить только Уран, то могли бы запускать корабли в любой год 2020-х. Но для одновременной миссии лучше всего подойдёт 2034-й! По массе, температуре и расстоянию Уран и Нептун могут казаться нам похожими, но они могут отличаться друг от друга так же сильно, как Земля от Венеры. И есть только один способ выяснить это. При небольшом везении и больших инвестициях и потраченных усилиях, мы, возможно, сумеем выяснить это ещё при нашей жизни.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы; почему возраст Вселенной не совпадает с радиусом наблюдаемой её части.

Источник

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

854 просмотров всего, 5 просмотров сегодня

Ещё записи на эту тему

Спросите Итана: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы?... Если Вселенная расширяется, можно понять, почему далёкие галактики удаляются от нас. Но почему не расширяются звёзды, планеты и атомы? Одним из крупнейших научных сюрпризов XX века стало открытие...
Отчего кометы светятся таким жутким зелёным светом Комета C/2014 Q2 (Лавджоя) – периодическая комета с длительным периодом, открытая 17 августа 2014 года Терри Лавджоем. Эту фотографию сделали в Таксоне, шт. Аризона, при помощи телескопа Sky-Watcher...
Что происходит при столкновении планет, звёзд и чёрных дыр?... Столкновение двух нейтронных звёзд – основной источник многих из тяжелейших элементов периодической таблицы во Вселенной. При таком столкновении выбрасывается 3-5% массы; всё остальное превращается...
Идея сингулярности перед Большим взрывом устарела Иллюстрация нашей космической истории, от Большого взрыва и до сегодняшнего дня, в контексте расширяющейся Вселенной. Большому взрыву предшествовало состояние космической инфляции, но идея о том, чт...