Десятиліттями ми могли лише уявити, яким може бути погляд на поверхню Плутона. Тепер у нас справжня річ.
Зображення та дані місії Плутона в липні 2015 року за місією New Horizons показали нам несподівано приголомшливий та геологічно активний світ. Вчені використовували такі слова, як "магічний", "захоплюючий дух" та "науковий край чудес", щоб описати довгоочікувані погляди далекого Плутона.
Навіть незважаючи на те, що вчені досі аналізують дані New Horizons, починають формулюватися ідеї щодо відправлення іншого космічного корабля до Плутона, але з довгостроковою місією орбіти замість швидкої прольоту.
"Наступна відповідна місія для Плутона - це орбіта, можливо, обладнана земельною ділянкою, якщо у нас буде достатньо фінансування для того, щоб зробити і те і інше", - сказав головний слідчий "New Horizons" Алан Стерн у "Космічному журналі" в березні.
Цього тижня Стерн поділився у соціальних мережах, що збирається наукова команда «Нових горизонтів». Але окремо інша група починає говорити про можливу наступну місію до Плутона.
Деякі сцени з вчорашнього семінару "Плутон". #TheFutureIsBright # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01
- AlanStern (@AlanStern) 25 квітня 2017 року
Якнайшвидше потрапити в космічний корабель до зовнішніх районів нашої Сонячної системи, зокрема, в змозі уповільнитись, щоб перейти на орбіту навколо Плутона. Для швидких та легких «Нових горизонтів» орбітальна місія була неможливою.
Яка система двигуна може зробити можливою місію орбіти Плутона та / або приземлення?
Кілька ідей викидаються навколо.
Космічна система запуску
Одна концепція використовує перевагу нової нової системи космічних ракет (NASS) НАСА, яка наразі розробляється для забезпечення людських місій на Марс. NASA описує SLS як "розроблену таким чином, щоб бути гнучким та розвиваючим і відкриє нові можливості для корисних навантажень, включаючи роботизовані наукові місії". Навіть перша версія Block 1 може запустити 70 метричних тонн (пізніші версії зможуть підняти до 130 метричних тонн). Блок 1 буде живитись з двомісних п'ятисегментних ракетних підсилювачів і чотирьох двигунів з рідким паливом, із запропонованими 15% більше тяги при запуску, ніж ракети Сатурн V, які відправляли космонавтів на Місяць.
Але місія орбіти на Плутон може бути не найкращим використанням лише SLS.
Потрібно багато палива, щоб прискорити транспортний засіб до достатньо швидкої швидкості, щоб дістатися до Плутона за розумну кількість часу. Наприклад, "New Horizons" був найшвидшим космічним кораблем, який коли-небудь запускався, використовуючи суп-ракету Atlas V з додатковими підсилювачами, він здійснив великий опік, коли "New Horizons" вийшов з орбіти Землі. Легкий космічний корабель відплив від Землі зі швидкістю 36000 миль на годину (близько 58000 км / год), потім скористався силою тяжіння від Юпітера, щоб підвищити швидкість Нових Горизонтів до 52 000 миль / год (83 600 км / год), проїхавши майже мільйон миль ( 1,5 мільйона км на день, пройшовши 3 місяці (4,8 мільярда км) до Плутона. Політ зайняв дев'ять з половиною років.
"Щоб увійти на орбіту Плутона, транспортний засіб [на зразок SLS] повинен був би збільшитися до тієї самої швидкості, потім повернутись і сповільнитись на половину поїздки, щоб прибути до Плутона з чистою нульовою швидкістю відносно планети", - пояснив Стівен Флемінг , інвестор у кілька стартапів альт-космосу, включаючи XCOR Aerospace, Planetary Resources і NanoRacks. "На жаль, через тиранію ракетного рівняння, вам доведеться перевезти все паливо / пальне, щоб уповільнитись із собою на старті ... що означає прискорення орбіти та всього цього палива на початковій фазі. Це вимагає логарифмічно більше палива для початкового спалювання, і воно виявляється багато палива. "
Флемінг сказав Space Magazine, що використовуючи багатомільярдну SLS для запуску орбіти Плутона, ви запустили б цілу корисну навантажувальну силу, аби прискорити і уповільнити крихітний орбітатор Плутона.
"Це надзвичайно дорога місія", - сказав він.
RTG-іонний рух
Кращим варіантом може бути використання системи приводу комбінованих технологій. Стерн згадував дослідження NASA, яке розглядало використання SLS як пускового апарату і для прискорення космічного корабля у напрямку до Плутона, але потім, використовуючи іонний двигун, що працює на радіоізотопному термоелектричному гелі RTG, щоб пізніше гальмувати для приходу в орбіту.
RTG виробляє тепло внаслідок природного розпаду плутонію-238, що не має зброї, і тепло перетворюється в електрику. Іонний двигун RTG був би більш потужною іонною системою приведення в рух, ніж поточний сонячний електричний іонний двигун на космічному кораблі "Світанок", який зараз обертається на Церері, в астероїдному поясі, плюс він дозволив би працювати у зовнішній сонячній системі, далеко від Сонця. Цей ядерний іонний двигун дасть змогу космічному апарату, що працює на швидкості, сповільнитись та вийти на орбіту.
"SLS спонукає вас вилетіти до Плутона, - сказав Стерн, - і для гальмування з іонним приводом фактично знадобиться два роки".
Стерн заявив, що час польоту для такої місії до Плутона буде на сім з половиною років, що на два роки швидше, ніж Нові горизонти.
Fusion Propulsion
Але найбільш захоплюючим варіантом може бути запропонована місія з плутоновим орбітером та приземленням з включеним термоядерним потоком, яка зараз знаходиться в рамках першого етапу в Інноваційних розширених концепціях NASA (NIAC).
У пропозиції використовується двигун Direct Fusion Drive (DFD), який має привід і потужність в одному інтегрованому пристрої. DFD забезпечує високу тягу, щоб до Плутона тривати час польоту близько 4 років, а також можливість відправити на орбіту значну масу, можливо, від 1000 до 8000 кг.
DFD базується на термоядерному реакторі ПЗФР Прінстона, який вже 15 років розробляється в Лабораторії фізики плазми Принстона.
Якщо ця система приведення в рух працює, як було заплановано, вона могла б запустити орбіту Плутона і десант (або, можливо, ровер), і забезпечити достатньою потужністю для підтримки орбіти та всіх її приладів, а також передавати велику потужність на землю. Це дозволило б наземному транспортному засобу віддати відео на орбіту, тому що воно буде мати стільки потужності, за словами Стефані Томас з Princeton Satellite Systems, Inc., яка веде дослідження NIAC.
"Наша концепція, як правило, сприймається як" ого, це звучить дуже здорово! Коли я можу отримати його? », - сказав Томас для Space Magazine. Вона сказала, що вона та її команда обрали прототип місії орбітальника Плутона та місії, оскільки це чудовий приклад того, що можна зробити з термоядерною ракетою.
Їх система плавлення використовує невеликий лінійний масив соленоїдних котушок, а паливом їх вибору є дейтерій гелій 3, який має дуже низьку продукцію нейтронів.
"Він підходить до космічного корабля, він підходить до ракет-носіїв", - пояснив Томас у розмові на симпозіумі NIAC (її розмова починається близько 17:30 у пов'язаному відео). "Немає літію чи інших небезпечних матеріалів, він утворює дуже мало пошкоджуючих частинок. Мова йде про розмір мінівен або невелику вантажівку. Наша система дешевша та швидша в розробці, ніж інші пропозиції щодо синтезу ».
Команда Принстона змогла видавати 300 мілісекундних імпульсів за допомогою експерименту з нагріванням плазми, на порядок кращим, ніж будь-яка інша система.
"Найбільша перешкода - це само злиття", - сказала вона. "Нам потрібно розробити більший експеримент, щоб закінчити доведення нового способу нагріву, який вимагатиме на порядок більше ресурсів, ніж проект отримав від Міністерства енергетики", - сказав Томас електронною поштою. "Однак це все ще мало в грандіозній схемі проектів прогресивних технологій, близько 50 мільйонів доларів".
Томас заявив, що DARPA витратив набагато більше на багато технологічних ініціатив, які в кінцевому підсумку були скасовані. І це також набагато менше, ніж вимагають інші технології плавлення для того ж етапу дослідження, оскільки наша машина така маленька і має просту конфігурацію котушки ". (Томас сказав, подивіться на бюджет ITER, міжнародний мегапроект дослідження ядерного синтезу та інженерний мегапроект, який зараз складає понад 20 мільярдів доларів).
«Простіше кажучи, ми знаємо, що наш метод дуже добре нагріває електрони і може екстраполювати до нагрівання іонів, але нам потрібно це побудувати і довести», - сказала вона.
Наразі Томас та її команда працюють над технологією «баланс заводу» - підсистемами, які знадобляться для роботи двигуна в космосі, припускаючи, що спосіб нагріву працює, як передбачено на даний момент.
Що стосується самої місії Плутон, Томас заявив, що на самому орбіту немає особливих перешкод, але це передбачає масштабування кількох технологій, щоб скористатися великою кількістю наявної потужності, наприклад, оптичними комунікаціями.
"Ми могли б виділити десятки і більше кВт потужності для лазера зв'язку, а не 10 Вт [як поточні місії]", - сказала вона. «Ще одна унікальна особливість нашої концепції - це можливість передавати багато потужності на землю. Це дозволило б отримати нові класи інструментів планетарної науки, як потужні дрилі. Технологія для цього існує, але конкретні інструменти повинні бути розроблені та побудовані. Додатковою технологією, яка потребує розвитку в різних галузях промисловості, є легкі космічні радіатори, надпровідні дроти нового покоління та довготривале кріогенне зберігання дейтерію. ”
Томас сказав, що їхні дослідження NIAC проходять добре.
"Ми були відібрані для дослідження фази II NIAC. Зараз ми ведемо переговори про контракти", - сказала вона. "Ми зайняті роботою над моделями високої точності тяги двигуна, розробляючи компоненти траєкторії та розміщуючи різні підсистеми, включаючи надпровідні котушки", - сказала вона. "Наші теперішні оцінки полягають у тому, що один двигун потужністю від 1 до 10 МВт створюватиме потужність від 5 до 50 Н, при конкретному імпульсі близько 10 000 сек."
Лазерний зачіп до Плутона
Іншою футуристичною можливістю руху є лазерні системи, запропоновані Юрієм Мілнером для своєї пропозиції про прорив Starshot, де маленькі кубики можуть бути зачеплені лазерами на Землі, в основному космічний корабель "прискакуючи помилку", щоб досягти неймовірних швидкостей (можливо, мільйонів миль / км на годину ) відвідати зовнішню Сонячну систему чи за її межами.
"Нам не дуже важливо використовувати такі технології, тому що нам доведеться чекати десятиліть, щоб це було розвинене", - сказав Стерн. "Але якщо ви можете відправити легкий, недорогий космічний корабель зі швидкістю, як 10-та швидкість світла на основі лазерів із Землі. Ми могли б відправити ці маленькі космічні кораблі до сотень чи тисяч об'єктів у поясах Койпера, і ви були там протягом двох з половиною днів. Ви могли щодня відправляти космічний корабель повз Плутон. Це було б дійсно зміна гри ".
Реальне майбутнє
Але навіть якщо всі погоджуються на те, що орбіта Плутона має бути зроблена, найбільш рання дата такої місії - це колись між початком 2020-х та початком 2030-х років. Але все залежить від рекомендацій, викладених наступним десятирічним опитуванням наукового співтовариства, яке запропонує найвідповідніші місії для Відділу планетарних наук НАСА.
Ці десятирічні опитування - це десятирічні «дорожні карти», які встановлюють наукові пріоритети та дають вказівки щодо того, куди НАСА має направляти космічні кораблі та які місії вони мають бути. Останнє опитування десятиліття було опубліковане в 2011 році, і воно встановлювало пріоритети планетарної науки до 2022 року. Наступне, 2023-2034 рр., Буде, можливо, опубліковане в 2022 році.
Місія "Нові горизонти" стала результатом пропозицій Декадального опитування планетарних наук 2003 року, де вчені заявили, що відвідування системи Плутон та інших країн є пріоритетним напрямком.
Тож, якщо ви мрієте про орбіту Плутона, продовжуйте говорити про це.
