ПЛАНЫ АЛАНА СТЕРНА И ЕГО КОМАНДЫ:

Исследование Плутона было нелегким, но оно того стоило. В нашей с Дэвидом Гринспуном книге «В погоне за новыми горизонтами» мы рассказываем, что для этого потребовалось 14 лет (с 1989 по 2003 год), около десятка различных концепций миссии и значимость первого анкетирования учёных Национальной академии наук о планетах о планах на десятилетие, чтобы получить финансирование. После жёсткой конкуренции в конечном итоге НАСА выбрало «Новые горизонты» в качестве мимопролётной миссии к Плутону.

За этим последовало сумасшедшее четырехлетнее проектирование, сборка и испытания космического корабля, чтобы попасть в критическое временное окно запуска в 2006 году, обеспечивавшее использование Юпитера в качестве гравитационного ускорителя. После того, как это получилось, АМС "Новые Горизонты" потратила 9,5 лет, чтобы достичь Плутона и его системы из пяти лун. Все вместе это заняло 26 лет и усилий тысяч людей. Это было сделано совершенно без резервного копирования, без плана B, без второго аппарата, если бы первый аппарат потерпел неудачу.

Впечатляющие результаты

Без прикрас, я думаю, что Солнечная система прятала от нас всё лучшее до последнего. Однако ожидание того стоило: когда на Землю поступили данные от "Новые Горизонты", были обнаружены обширные азотные ледники, горы метанового и водяного льда, сложная атмосфера и разновозрастный ландшафт Плутона, которые доказывают, что планета была активна в течение 4 млрд лет после образования. Было и другое - свидетельства наличия органических соединений, жидкостей на поверхности в прошлом, ледяных вулканов, которые извергались на поверхность планеты, и океана жидкой воды во внутренней части Плутона.

Луны Плутона тоже не разочаровали. АМС "Новые Горизонты" нашла новые доказательства того, что они образовались все вместе после гигантского удара между Плутоном и другой карликовой планетой в древности. Самая большая луна Плутона, Харон, также обнаружила удивительно отражающую поверхность и никогда ранее не виданные темные полярные шапки, по-видимому, метановые, которые образовались из атмосферы Плутона.

Это лишь некоторые из открытий, которые сделали "Новые Горизонты". И я могу вам сказать, что теперь, спустя четыре года после этого пролета мимо Плутона, научная команда "Новые Горизонты" и многие другие члены научного сообщества пришли к выводу, что для разгадки новых загадок требуется новая миссия, чтобы исследовать Плутон более глубоко.

Это необходимо отчасти потому, что большая часть Плутона и его спутников не могла быть изучена достаточно подробно с помощью одного быстрого пролета. Это также необходимо, потому что поверхность и атмосфера Плутона развиваются во времени и требуют орбитального аппарата для наблюдения за этими процессами. Но главная причина новой миссии заключается и в том, что многие из обнаруженных загадок требуют использования других типов инструментов - инструментов, которые "Новые Горизонты" не несла.

Будет ли эта орбитальная миссия у Плутона профинансирована, почти полностью зависит от результатов анкетирования на следующее десятилетие исследований Национальной академии наук о планетах, комитет которого начнет свою работу в следующем году. Результаты опроса появятся в 2022 году.

Больше целей для возвращения в Плутон

Почему мы хотим вернуться? Есть много причин. Во-первых, из-за скоротечности пролёта АМС «Новые горизонты» могла заснять только 40 процентов поверхности Плутона с хорошим разрешением. То же самое относится и к Харону. И еще меньше мы смогли узнать о четырех маленьких лунах Плутона, потому что корабль не сближался ни с одним из них.

Во-вторых, мы узнали, что Плутон - это динамичный мир с бурлящими азотными ледниками, лавинами и сложной изменяющейся во времени атмосферой. Но разведка Плутона длилась всего лишь около суток, 14 июля 2015 года. Она дала нам замечательные съёмки с первого взгляда, но не дала возможности увидеть ежедневные, сезонные и геологические изменения, которые может получить орбитальный аппарат, но мимолетящий зонд не может.

В-третьих, мы узнали, что для ответа на многие вопросы, которые ставят данные, собранные "Новые Горизонты", требуются иные типы инструментов. Возвращение с орбитальным аппаратом позволит нам использовать инструменты для просмотра ледников Плутона с помощью радара, чтобы определить, насколько они глубоки. Космический корабль также будет нести масс-спектрометр для отбора проб атмосферы Плутона, инвентаризации всех соединений и определения природы дымки Плутона.

И это еще не все. Только с помощью радиослежения за тонкими изменениями в орбитальном движении искусственного спутника Плутона, мы можем исследовать внутреннюю часть Плутона, чтобы определить, действительно ли там находится предполагаемый океан. И нам нужно выполнить картографирование температур, чтобы определить, что питает обширные ледники Плутона и действуют ли его древние ледяные вулканы. Без использования магнитометра мы никогда не узнаем, активно ли ядро планеты или заморожено. Наконец, мы хотим отправить лидары и другие активные инструменты, которые могут создавать карты даже в темноте полярных ночей. Цель состоит в том, чтобы осмотреть ночные стороны Плутона и его спутников, чтобы обнаружить изменения, вызываемые падением температуры, когда Солнце садится.

Итак, нам нужен орбитальный аппарат, чтобы завершить работу, которую АМС "Новые Горизонты" так хорошо начала. Этот орбитальный аппарат должен быть рассчитан на работу в течение многих лет, а не дней, возвращая данные неделя за неделей, поскольку он будет внимательно осматривать все спутники Плутона и наблюдать за эволюцией поверхности и атмосферы планеты.

Разработка миссии

Имея все это в виду, я руководил внутренним исследовательским проектом с середины 2017 года по середину 2019 года в Юго-Западном исследовательском институте (SwRI), чтобы изучить, как внедрить орбитальный аппарат Плутона. В исследовательскую группу вошли мои коллеги из SwRI - Тиффани Финли, Марк Тапли, Джон Шеррер и Аманда Зангари.

Дизайн миссии, который мы создали, вывел бы космический корабль размером с "Новые Горизонты" с новыми инструментами на орбиту Плутона. Для этого потребуется одна из огромных новых ракет-носителей класса "Сатурна V", находящихся в стадии разработки, гравитация Юпитера и ядерная электрическая ступень, дополненная ступенью торможения с химическим двигателем для выхода на орбиту вокруг Плутона.

Мы изучили, какую полезную нагрузку следует нести, какая возможна форма орбиты, какими должны быть основные характеристики космического корабля и как доставить такой космический корабль с Земли на Плутон. Это исследование стало первым, и в настоящее время единственным исследованием о том, как построить орбитальный аппарат Плутона, чтобы продолжить открытия "Новых Горизонтов".

Одной из прорывных идей, которая изменила бы правила игры для выхода в систему Плутона и убрала запрос огромной топливной массы космического корабля, стали многочисленные целенаправленно близкие облёты Харона для повторяющихся гравитационных манёвров. Это аналогично тому, как орбитальная АМС "Кассини" вошла в систему Сатурна, используя Титан для гравитационных манёвров. Когда мы смоделировали идею, она работала прекрасно, исключив большую часть топлива, которое должен нести орбитальный аппарат.

Хронология

Временная шкала миссии, которую мы создали, выглядит следующим образом: запуск в декабре 2028 года, гравитационный облет Юпитера в октябре 2030 года, торможение на орбите Плутона, начиная с 2046 года и заканчивая в 2059 году. Мы могли бы добраться туда быстрее, если появятся мощные ядерные системы, чтобы увеличить тормозную тягу около Плутона, но более длительное путешествие возможно и с современными системами.

Последующий двухлетний тур по системе Плутона начинается с гравитационного манёвра у Харона для завершения выхода на орбиту Плутона. Затем, используя орбиты с продолжительностью около двух недель каждая, корабль будет исследовать каждую из маленьких лун Плутона с полдюжину раз с близкого расстояния и сам Харон с более чем 30 близкими подлетами. Это также сделает возможным как полярные, так и экваториальные облёты Плутона, а также погружение в верхние слои атмосферы Плутона для многократного отбора проб. Корабль много раз пролетит над полюсами Плутона, а также в его отдаленный «магнитосферный хвост» для специализированных исследований. Тур по системе Плутона мог бы продолжаться намного дольше, но через два года космический корабль достигнет всех научных целей, которые мы перед ним ставим.

Космический корабль

Большинство возможностей, необходимых для космического корабля на орбите вокруг Плутона, аналогичны возможностям для АМС "Новые Горизонты". Но итоговая полётная схема потребует вдвое большей массы полезной нагрузки, чем была у "Новые Горизонты", а также электрические и химические двигательные установки, что всё вместе даёт массу 2339 кг. Это текущая оценка. Однако выбранная нами будущая ракета-носитель сможет поднять на 30% больше. Итоговая масса новой АМС будет почти в пять раз больше, чем у "Новые Горизонты", но таков характер миссии орбитального корабля, вынужденного нести больше топлива, чтобы затормозить и выйти на орбиту вокруг Плутона.

Существует три основных различия между предлагаемым орбитальным аппаратом и "Новые Горизонты". Во-первых, нужно больше топлива и гироскопов на борту, чтобы выполнить тысячи маневров в течение двухлетнего турне по системе Плутона. Второе - необходимость большего, чем 16 гигабайт, объема встроенных хранилищ данных, которые несут "Новые Горизонты". Но самое большое отличие - это необходимость в более эффективной коммуникационной системе.

Система связи, созданная для возврата всех данных с одного пролета, выполненного АМС "Новые Горизонты", потребовала 16 месяцев, чтобы завершить свою работу. Это совершенно несостоятельно для орбитального аппарата, который должен отправлять свои данные на Землю каждые 15-30 дней, чтобы быть эффективным. Это, в свою очередь, требует намного большей тарелки антенны и передатчика, почти в 10 раз более мощного, наряду с более совершенным программным обеспечением для удаления фонового шума из изображений и спектров.

К счастью, ни одно из этих различий не требует создания новых технологий, и миссия выглядит вполне осуществимой с существующими системами для космических полетов.

Идти широко или углубляться?

До исследования системы Плутона в 2015 году большинство планетологов считали, что естественным продолжением миссии "Новые Горизонты" будет разведка других планет-карликов в Поясе Койпера. Таким образом, разнообразие планет-карликов можно исследовать так же, как миссии "Маринер", "Пионер" и "Вояджер" провели первую разведку всех планет земной группы и планет-гигантов десятилетия назад.

Тем не менее, впечатляющая сложность, обнаруженная в системе Плутона, вызвала раздор в сообществах Пояса Койпера, планет-карликов и планетологов. Многие, в том числе и я, утверждают, что вместо этого нам нужно вернуться к Плутону, чтобы глубже изучить его с помощью миссии на орбите, а не разведывать разнообразие карликовых планет пояса Койпера с новыми мимопролётными миссиями.

Но наш второй прорыв в исследовании дизайна орбитального аппарата Плутона показал, что возможно иметь оба варианта исследований - то есть объединить две миссии в одну и сделать это по доступной цене. Поскольку это заканчивает войну мнений между изучением других планет-карликов и углублением в исследованиях Плутона, мы назвали получившуюся концепцию «всё в одном» - исследовательской миссией к Плутону и Поясу Койпера «Золотой стандарт».

Золотой Стандарт

Миссия "Золотой Стандарт" ("Gold Standard"), меняющая правила игры, работает следующим образом: во-первых, после орбитального тура по Плутону, последние сближения с Хароном освободят орбитальный аппарат от гравитации Плутона для исследования пояса Койпера. Затем, используя только существующие возможности электрической двигательной установки миссии типа АМС "Рассвет" ("Dawn"), корабль совершит облет до полудюжины небольших объектов пояса Койпера и любую из множества карликовых планет. Фактически, в некоторых сценариях, двигательная установка типа той, что использовалась "Рассветом", может даже разместить корабль вокруг второй карликовой планеты для другой орбитальной миссии.

Такая миссия может быть начата в конце 2020-х или конце 2030-х годов. Это оказало бы глубокое влияние на планетологию, включая исследования образования планет и планетезималей, миров-океанов, экзотических атмосфер, планет-карликов и, возможно, даже астробиологии. Это предложение создает мощную мини-флагманскую миссию для обдумывания в следующем десятилетии.

Выводы

Ключевой находкой АМС "Новые Горизонты" является то, что Плутон и его спутники, как и другие планеты, расположенные близко к нашему дому, слишком сложны и слишком вызывающи, чтобы их можно было оставить после единственной первой разведки. Плутон манит, и мы должны вернуться с орбитальным аппаратом. Миссия "Золотой стандарт" может разрешить напряженность между учеными, желающими вернуться к Плутону, и теми, кто считает разумным исследовать более широко пояс Койпера.

Оригинал https://astronomy.com/magazine/2019/10/return-to-pluto

Источник: astronomy.com