Посадка на спутник юпитера
Обновлено: 05.10.2024
Автоматический спускаемый аппарат, разрабатываемый для посадки на спутник Юпитера Европу, столкнется с проблемой: похоже, поверхность спутника совсем не гостеприимна, поскольку покрыта ледяными иглами высотой с пятиэтажный дом
В прошлом месяце ученых из NASA ждал приятный сюрприз: $192 млн было выделено Конгрессом на разработку спускаемого аппарата, который должен совершить посадку на четвертый по величине спутник Юпитера, Европу. От Европы человечество ожидает многого: в частности, считается, что подо льдом ее глобального океана может существовать жизнь. Планируемая миссия последует за полетом зонда Europa Clipper, который будет исследовать спутник с орбиты.
Кальгаспоры были ранее описаны на поверхности Плутона. Расчет ученых показывает, что на Европе процесс их образования может быть особенно интенсивным: ледяные иглы могут достигать высоты пятиэтажного дома и при этом стоять друг от друга на расстоянии всего на 7 метров. Косвенные экспериментальные подтверждения этих расчетов уже получены: при обследовании поверхности спутника с помощью радаров в экваториальной области наблюдалось большое рассеяние энергии, что может объясняться сильной неоднородностью ландшафта. Окончательный вывод можно будет сделать лишь в середине 2020-х годов, когда миссия Europa Clipper наконец-то доберется до юпитеранской системы. Однако деньги, выделенные на разработку спускаемого аппарата, не могут дожидаться окончательного вердикта так долго. Вероятно, при проектировании аппарата должны быть как-то учтены все те сложности, которые могут возникнуть при посадке, согласно расчетам планетологов.
История Europa Clipper
В 2011 году Американский конгресс отозвал программу из-за высокой стоимости проекта — $4,7 млрд — и перенаправил эти средства на Марсианскую программу. Кроме того, в то время инженеры не до конца представляли, как посадить спускаемый аппарат на поверхность Европы, поскольку детализация изображений, полученных с предыдущей миссии по изучению этой луны, не позволила НАСА составить полноценную карту спутника Юпитера.
Практически сразу НАСА представила наследника миссии JEO — проект Europa Clipper, орбитальный зонд стоимостью $2 млрд без учета стоимости ракеты-носителя Atlas V 551 и запуска. Конгресс принял эти расчеты, и инженеры начали разрабатывать миссию, несмотря на отказ от некоторого оборудования — например, радиоизотопного генератора энергии нового поколения Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG). Текущая стоимость проекта — $1 млрд, однако независимые аудиторы называют сумму до $3,5 млрд с учетом полного сопровождения миссии.
Основные принципы миссии Europa Clipper
В связи со значительной удаленностью Юпитера от Земли и высокой массой самого аппарата наиболее практичным способом доставки Europa Clipper является использование сверхтяжелой ракеты-носителя.
Пока не ясно, какая из существующих ракет-носителей будет использована в этой миссии. С одной стороны, использование сверхтяжелой SLS стоимостью $876 млн в два раза дороже, чем цена за аналогичные прототипы Delta IV Heavy или сверхтяжелой Falcon Heavy. С другой, пока только SLS может доставить Europa Clipper до Юпитера напрямую и без гравитационных маневров — менее, чем за три года. Это снизит стоимость запуска на несколько сотен миллионов долларов за счет сокращения расходов на зарплаты сотрудникам миссии. На текущий момент НАСА не сделало заказ на разработку ракеты-носителя для этой миссии.
Чем Europa Clipper будет заниматься во время своей миссии
- Исследовать Европу на предмет ее способности к формированию и в идеале — поддержанию жизни.
- Изучить поверхность Европы и сделать максимально подробную карту спутника для дальнейшей работы спускаемого аппарата в случае, если НАСА решит отложить его до будущей миссии.
- Подтвердить существование подледного океана и найти полыньи, в которые можно спустить роверы. Кроме того, в рамках миссии ученые должны оценить толщину льда на спутнике.
В случае, если Europa Clipper будет отправлена к Юпитеру не позднее 2025 года, зонд прибудет к Европе к 2028 году. За последующие три года аппарат определит толщину ледяной коры, глубину и соленость океана. После 2031 года инженеры рассчитывают продлить миссию, если огромная радиация Европы не выведет из строя электронику, а у самого спутника будет достаточно топлива для работы. В конце миссии Europa Clipper инженеры просто выведут зонд с орбиты Европы для последующего столкновения с другим спутником Юпитера — Ганимедом.
Сейчас в массе Europa Clipper зарезервировано 250 кг для микроспутников формата CubeSat. Планируется, что они будут оснащены миниатюрными ксеноновыми двигателями для того, чтобы команда миссии исследовала гипотетические гейзеры Европы, которые могут достигать высоты в несколько десятков километров. Кроме того, кубсаты можно использовать для исследования гравитационных, радиационных и магнитных полей Европы, сканирования поверхности и составления карты. Пока НАСА собирает заявки от разработчиков кубсатов, инженеры уже выбрали 10 концептов для дальнейшей проработки.
Спускаемые аппараты
В 2015 году американский конгресс принял бюджет НАСА, в который были включены разработки спускаемых роботов для изучения Европы. Пока до конца не ясно, каким образом будет оснащена эта миссия — часть команды Europa Clipper выступает за совместный запуск аппаратов, однако другие инженеры считают, что будет целесообразнее запустить робота отдельно к Европе независимо от материнской миссии.
В случае отдельного запуска аппарата он будет отправлен к Европе не раньше конца 2025 года с помощью РКН SLS Block 1B. При этом до Юпитера он долетит лишь в 2030 году и только через год сможет сесть на Европу, так как перед этим ему предстоит выйти на орбиту газового гиганта.
Почему Европа?
По своим размерам, уступая даже Луне, Европа является самым тяжелым спутником в Солнечной системе. Вероятно, это связано с тем, что она состоит из силикатных пород, а в ее центре находится небольшое железное ядро.
У Европы очень разреженная атмосфера, однако она практически полностью состоит из кислорода. При этом, в отличие от Земли, на Европе кислород не биологического происхождения. Он формируется под воздействием солнечной радиации на лед, при котором легкий водород улетучивается в космос, а кислород остается в атмосфере.
Кроме того, лед поверхности Европы — молодой, такой вывод позволил сделать спектральный анализ поверхности спутника. Не замерзает океан, вероятно, благодаря приливным силам, периодические изменения которых вызывают деформацию спутника и, как следствие, нагрев его недр.
Ряд ученых предполагает , что Европа может быть пригодной для создания не только простейших форм жизни, но и более развитых. Они объясняют это наличием кислорода, возможного жидкого океана и температур, которые в глубинах океана из-за давления могут достигать пригодных для жизни показателей.
Окончательно ученые смогут прийти к выводу на счет возможной жизни на Европе только в случае успешного запуска Europa Clipper, ее сближения со спутником, а также спуска роботов для изучения поверхности луны.
Отправка станции к Юпитеру связана с множеством технических проблем, особенно в связи с большими потребностями зондов в топливе и жёстким радиационным окружением планеты.
Ряд беспилотных миссий к Юпитеру планируется НАСА и другими космическими агентствами (Европа, Индия, Россия).
Технические требования
Юпитер не имеет твёрдой поверхности для посадки, при наличии плавного перехода между атмосферой планеты и её жидкой средой. Любые зонды при погружении в атмосферу в конечном итоге оказываются раздавлены огромным давлением атмосферы Юпитера. Поэтому все выполненные и планирующиеся миссии к Юпитеру являются лишь пролётными или орбитальными, а также атмосферными (с непосредственным исследованием верхних слоёв атмосферы). Посадочные миссии на Юпитер невозможны. Однако возможны посадки на спутники Юпитера.
Пролётные миссии
Пролётная траектория — это траектория, при которой космический аппарат пролетает мимо планеты на некотором расстоянии, испытывая силу её притяжения.
Вблизи Юпитера КА выполнил уточнение орбит внутренних спутников планеты, в частности Амальтеи. Камеры зонда запечатлели вулканическую активность на Ио, выполнили детальные съёмки всех четырёх Галилеевых спутников и сфотографировали с дальнего расстояния другие спутники (Гималия и Элара). Зонд также позволил изучить Малое красное пятно, магнитосферу и систему колец планеты.
Орбитальные миссии
Основные научные результаты миссии Галилео включают в себя:
- первое наблюдение облаков из аммиака в атмосфере другой планеты — атмосфера образует частицы аммиачного льда из материала, поступающего из нижних слоёв.
- подтверждение обширной вулканической активности на Ио, которая в 100 раз больше, чем на Земле; температура и частота извержений напоминают историю ранней Земли;
- наблюдения сложных взаимодействий плазмы в атмосфере Ио, которые создают огромные электрические токи, соединяющиеся с атмосферой Юпитера;
- предоставление доказательств в поддержку гипотезы, что под ледяной поверхностью Европы существуют жидкие океаны;
- первое обнаружение существенного магнитного поля у спутника (Ганимед);
- данные по измерению магнитного поля, свидетельствующие, что на Европе, Ганимед и Каллисто под видимой поверхностью присутствует жидкий слой солёной воды;
- подтверждение наличия на Европе, Ганимеде и Каллисто тонкого слоя атмосферы, известного как поверхностная экзосфера;
- установление источника формирования колец Юпитера (из пыли, которая появляется при столкновении межпланетных метеороидов с внутренними четырьмя спутниками Юпитера) и наблюдение двух внешних колец и возможного отдельного кольца вдоль орбиты спутника Амальтея;
- идентификация глобальной структуры и динамики магнитосферы планеты-гиганта.
Отменённые миссии
Из-за наличия возможных подземных жидких океанов на спутниках планеты — Европа, Ганимед и Каллисто — наблюдается большой интерес к изучению именно этого явления. Финансовые проблемы и технические трудности привели к отмене проекта Europa Orbiter с высадкой на Европу аппаратов криобота (для работы на ледяной поверхности) и гидробота (для запуска в подповерхностном океане); проект был запланирован НАСА, но был в итоге закрыт в 2002 г. В 2005 году были отменены планы по запуску другого аппарата НАСА Jupiter Icy Moons Orbiter. Европейский проект Jovian Europa Orbiter был заменён на Europa Jupiter System Mission, описанный ниже.
Будущие миссии
В мае 2012 года было объявлено, что ЕSА будет проводить комплексную европейско-российскую миссию Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) по изучению Юпитера и его спутников с предполагаемым океаном под поверхностью (Ганимеда, Каллисто, Европы) c запуском в 2022 году и прибытием в систему Юпитера в 2030 году, в ходе которой российский аппарат совершит посадку на Ганимед.
Пилотируемое изучение
Потенциал колонизации
НАСА предположило возможность добычи веществ из атмосферы внешних планет, включая предполагаемое ядерное топливо гелий-3. Фабрики, размещённые на орбите, могут добывать газ, затем доставляемый орбитальным транспортным кораблём.
Однако система Юпитера создаёт особые неудобства для колонизации из-за тяжёлой радиационной обстановки. Для людей вне защиты дозовая нагрузка будет составлять примерно 3600 бэр в сутки на поверхности Ио и примерно 540 бэр в сутки на поверхности Европы. Получения дозы примерно 0,75 зиверт (75 бэр) одномоментно или в течение непродолжительного времени достаточно, чтобы вызвать острую лучевую болезнь, а около 5 Зв (500 бэр) — летальный исход.
Ганимед — самый большой спутник планеты в Солнечной системе. Ганимед — единственная луна с магнитосферой, но она перекрывается магнитным полем Юпитера. На поверхности Ганимеда мощность эквивалентной дозы составляет примерно 0,08 Зв (8 бэр) в сутки. На Каллисто, находящемся дальше от мощного радиационного пояса Юпитера, мощность дозы равна лишь 0,1 мЗв (0,01 бэр) в сутки. Одной из основных целей HOPE выбраны исследования Каллисто. Обсуждалась возможность строительства базы на поверхности Каллисто, из-за низкого уровня излучения на расстоянии этого спутника от Юпитера и его геологической стабильности. Каллисто является единственным из галилеевых спутников Юпитера, для которого возможно посещение людьми. Уровни ионизирующего излучения на Ио, Европе и Ганимеде неблагоприятны для человеческой жизни, и адекватные защитные меры для этой цели не были разработаны.
Предполагается постройка базы на поверхности, которая могла бы производить топливо для дальнейшего исследования Солнечной системы. В 1997 году был разработан проект Artemis — план колонизации спутника Европа. Согласно этому плану, исследователи должны будут пробурить лёд на поверхности Европы, войти в предполагаемый подповерхностный океан, где предполагается их обитание в искусственном воздушном кармане.
Как считается, Европа, спутник Юпитера, может быть пригодна для существования жизни. Космический аппарат NASA Europa Clipper, разрабатываемый уже несколько лет, призван исследовать обитаемость этого океанического мира. Europa Clipper, предстоящая флагманская миссия NASA во внешнюю область Солнечной системы, прошла значительную веху: был завершён критический анализ конструкции аппарата.
Специалисты JPL и APL в 2019 году крепят тепловые трубки к панели Europa Clipper (NASA/JPL)
В ходе анализа специалисты изучили детализированную модель космического корабля, чтобы убедиться в его готовности к завершению строительства. Теперь миссия может завершить изготовление и испытания оборудования и перейти к сборке и испытаниям зонда и его полезной нагрузки, включающей сложные научные приборы.
Поверхность Европы состоит изо льда и является одной из самых гладких в Солнечной системе; на ней мало кратеров, но много трещин. Считается, что под нею имеется водяной океан, который вдвое больше всех земных океанов вместе взятых. Это делает спутник в теории пригодным для жизни. Но низкие температуры и непрестанное воздействие на поверхность излучения Юпитера делают его сложной целью для исследования: инженеры и учёные миссии должны спроектировать космический корабль, достаточно выносливый, чтобы противостоять излучению, но при этом достаточно чувствительный, чтобы собрать научные данные, необходимые для исследования окружающей среды Европы.
Иллюстрация — зонд Europa Clipper у спутника Юпитера (NASA / JPL)
Орбитальный аппарат Europa Clipper будет кружить вокруг Юпитера по эллиптической траектории, опускаясь ближе к поверхности на каждом пролёте, чтобы провести детальную разведку. Миссия включает в себя измерение внутреннего океана, составление карт состава поверхности и её геологии, а также поиск столбов водяного пара, которые могут вырываться из-под ледяной коры.
Как сообщает NASA, разработка космического аппарата продвигается хорошо. Детальный анализ конструкции позволил теперь глубоко погрузиться в специфические планы всех научных приборов — от камер и антенн до полётных подсистем, включая двигательную установку, питание, авионику и бортовой компьютер.
Инженер (APL) устанавливает на тестовую модель системы визуализации детекторную электронику широкоугольной камеры (NASA/APL/Ed Whitman)
Помимо детальных чертежей и планов, миссия уже построила прототипы и инженерные модели, чтобы проверить, насколько хорошо будут работать приборы и инженерные подсистемы. А большая часть лётного оборудования уже создаётся, отдельные инженерные подсистемы и приборы за последние полтора года прошли собственные проектные проверки.
Чашеобразная антенна Europa Clipper с высоким коэффициентом усиления для связи с Землей (NASA)
Ключевые модули Europa Clipper обретают форму. На завершающей стадии сборки находится почти 3-метровая в диаметре дискообразная антенна с высоким коэффициентом усиления, которая будет принимать команды с Земли и передавать научные данные обратно. И, безусловно, самая заметная часть оборудования Europa Clipper — массивные солнечные батареи, которые будут разворачиваться в глубоком космосе, как крылья, — также находятся на стадии производства. Космический корабль с полностью развёрнутыми панелями будет шире, чем баскетбольная площадка в длину — 30,5 метров. А площадь панелей составит порядка 90 квадратных метров.
Они будут прикреплены к двигательному модулю, строящемуся Лабораторией прикладной физики Джона Хопкинса (APL) в Лореле (штат Мэриленд). Ядро двигательного модуля состоит из двух установленных друг на друга цилиндров, которые вместе имеют высоту около 3 метров и содержат двигательные баки и 16 электрических ракетных двигателей, которые приведут в движение Europa Clipper, как только он покинет атмосферу Земли.
Техники NASA проверяют посадку цилиндров двигательного модуля Europa Clipper 15 октября 2020 года (NASA/Barbara Lambert)
Цилиндры уже созданы в APL и отправлены в JPL для установки труб системы перераспределения тепла, части системы терморегулирования корабля. Затем цилиндры были отправлены в Центр космических полётов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, для установки двигательной подсистемы. Предусмотрено 400 сварных соединений, каждое из которых просвечивается рентгеном для контроля качества.
APL также строит телекоммуникационный модуль для радиосвязи с Землей и радиационный монитор, который будет оценивать облучение аппарата во время его 40 с лишним полётов над Европой.
В JPL ведётся строительство нескольких элементов полётной системы, включая защиту сложного электронного оборудования от интенсивного излучения Юпитера. JPL также создаёт и тестирует подсистему авионики, которая включает в себя бортовой компьютер, аппаратное обеспечение для коммутации и распределения мощности, программное обеспечение для полёта и инструменты наземной системы. Также строится наземное вспомогательное оборудование, которое будет использоваться для сборки и испытаний крупных частей лётного оборудования Europa Clipper.
Инженеры JPL испытывают модель радиолокационной антенны Europa Clipper в 2019 году (NASA/JPL)
Научные приборы космического корабля будут измерять глубину ледяной коры, размеры внутреннего океана, его толщину и солёность, снимать цветные изображения геологии поверхности в деталях и так далее. Учёных особенно интересует, из чего состоит поверхность спутника. Europa Clipper также исследует гравитационное поле Европы, которое расскажет учёным больше о том, как Юпитер влияет на свой спутник и его внутренний океан.
Весь сложный набор инструментов и оборудования не должны оказывать друг на друга электромагнитных помех. Обеспечить это призваны обширные испытания, которые JPL проведёт в 2021 году. В начале 2022 года начнётся сборка, испытания уже цельного аппарата и подготовка пуска. Зонд Europa Clipper должен быть готов к запуску в 2024 году.
Читайте также: