В течение десятилетий мы могли только представить, каким может быть вид поверхности Плутона. Теперь у нас есть реальная вещь.
Изображения и данные, полученные в результате полета с Плутона в июле 2015 года, показали нам неожиданно потрясающий и геологически активный мир. Ученые использовали такие слова, как «волшебный», «захватывающий дух» и «научный мир чудес», чтобы описать долгожданные изображения крупным планом далекого Плутона.
Несмотря на то, что ученые все еще анализируют данные из «Нового горизонта», начинают формулироваться идеи об отправке другого космического корабля в Плутон, но с долгосрочным полетом на орбите вместо быстрого полета.
«Следующая подходящая миссия к Плутону - это орбита, возможно, оснащенная посадочным аппаратом, если у нас будет достаточно средств, чтобы сделать то и другое», - заявил главный мартовский исследователь New Horizons Алан Стерн в интервью журналу Space Magazine в марте.
На этой неделе Стерн поделился в социальных сетях, что научная команда New Horizons встречается. Но, отдельно, другая группа начинает говорить о возможной следующей миссии в Плутон.
Несколько сцен из вчерашнего семинара Плутона «Следуй за миссией» в Хьюстоне. #TheFutureIsBright # Back2Pluto #PlutoFlyby pic.twitter.com/wrLZztHL01
- AlanStern (@AlanStern) 25 апреля 2017 г.
Как можно быстрее доставить космический корабль во внешние области нашей солнечной системы, возникают проблемы, особенно в том, что он способен достаточно замедлиться, чтобы выйти на орбиту вокруг Плутона. Для быстрых и легких New Horizons орбитальная миссия была невозможна.
Какая двигательная установка могла бы сделать возможной миссию орбитального и / или посадочного аппарата Плутона?
Несколько идей разбрасываются вокруг.
Система космического запуска
Одна из концепций использует преимущества большой новой космической системы запуска (SLS) НАСА, которая в настоящее время находится в стадии разработки и позволяет выполнять миссии человека на Марс. НАСА описывает SLS как «разработанную, чтобы быть гибкой и развивающейся и откроет новые возможности для полезных нагрузок, включая роботизированные научные миссии». Даже первая версия блока 1 может запустить 70 метрических тонн (более поздние версии могут поднять до 130 метрических тонн.) Блок 1 будет оснащен двумя пятисегментными твердотопливными ракетными ускорителями и четырьмя двигателями на жидком топливе с предлагаемыми 15%. больше тяги при запуске, чем ракеты Сатурн V, которые отправили астронавтов на Луну.
Но полет на орбиту к Плутону может быть не лучшим использованием только SLS.
Требуется много топлива, чтобы разогнать автомобиль до достаточно высокой скорости, чтобы добраться до Плутона за разумное время. Например, «New Horizons» был самым быстрым космическим кораблем, когда-либо запущенным, с использованием форсированной ракеты «Атлас V» с дополнительными ускорителями, он сильно обжегся, когда «Нью-Горизонты» покинули орбиту Земли. Легкий космический корабль ускорился от Земли со скоростью 36 000 миль в час (около 58 000 км / час), а затем использовал гравитационную помощь от Юпитера, чтобы повысить скорость New Horizons до 52 000 миль в час (83 600 км / ч), преодолев почти миллион миль ( 1,5 миллиона км) в день на пути в 3 миллиарда миль (4,8 миллиарда километров) до Плутона. Полет занял девять с половиной лет.
«Чтобы выйти на орбиту Плутона, транспортное средство [такое как SLS] должно было бы разогнаться до той же скорости, а затем развернуться и замедлиться в течение половины пути, чтобы достичь Плутона с чистой нулевой скоростью относительно планеты», - объяснил Стивен Флеминг. инвестор в несколько стартапов альт-космоса, включая XCOR Aerospace, Planetary Resources и NanoRacks. «К сожалению, из-за тирании уравнения ракеты вам придется нести все топливо / топливо, чтобы замедляться с вами при запуске… что означает ускорение орбитального аппарата и всего этого топлива в начальной фазе. Это требует логарифмически большего количества топлива для первоначального сжигания, и это оказывается МНОГО топлива ».
Флеминг сказал Space Magazine, что, используя многомиллиардный SLS для запуска орбитального аппарата Плутона, вы запустите весь полезный груз, полный топлива, только для того, чтобы ускорить и замедлить крошечный орбитальный аппарат Плутона.
«Это чрезвычайно дорогая миссия», - сказал он.
RTG-Ion г.
Лучшим вариантом может быть использование двигательной установки комбинированных технологий. Стерн упомянул исследование НАСА, которое рассматривало использование SLS в качестве ракеты-носителя и для ускорения космического корабля в направлении Плутона, но затем с использованием ионного двигателя с радиоизотопным термоэлектрическим генератором для последующего торможения при приближении к орбите.
РИТЭГ вырабатывает тепло в результате естественного распада не оружейного плутония-238, и тепло преобразуется в электричество. Ионный двигатель RTG был бы более мощной ионно-двигательной системой, чем нынешний солнечный электрический ионный двигатель на космическом корабле Dawn, который теперь вращается вокруг Цереры в поясе астероидов, плюс он позволил бы работать во внешней солнечной системе, вдали от Солнца. Этот ядерный ионный двигатель позволил бы ускоряющемуся космическому аппарату замедлиться и выйти на орбиту.
«SLS подтолкнет вас к вылету в Плутон, - сказал Стерн, - и на самом деле потребуется два года, чтобы выполнить торможение с помощью ионного двигателя».
Стерн сказал, что время полета для такой миссии в Плутон будет семь с половиной лет, что на два года быстрее, чем в New Horizons.
Фьюжн г.
Но наиболее интересным вариантом может быть предложенная миссия Плутона и Ландера с поддержкой Fusion, которая в настоящее время находится на этапе 1 исследования Инновационных усовершенствованных концепций НАСА (NIAC).
В предложении используется двигатель Direct Fusion Drive (DFD), который имеет тягу и мощность в одном интегрированном устройстве. DFD обеспечивает высокую тягу, позволяющую пролететь до Плутона около 4 лет, плюс возможность отправлять на орбиту значительную массу, возможно, от 1000 до 8000 кг.
DFD основан на термоядерном реакторе Принстона с обращенной конфигурацией (PFRC), который 15 лет разрабатывался в Лаборатории физики плазмы Принстона.
Если эта двигательная установка работает в соответствии с планом, она может запустить орбитальный аппарат Плутона и посадочный аппарат (или, возможно, ровер) и обеспечить достаточную мощность для обслуживания орбитального аппарата и всех его инструментов, а также передать большую мощность посадочному аппарату. По словам Стефани Томас из Princeton Satellite Systems, Inc., которая возглавляет исследование NIAC, это позволит наземному транспортному средству передавать видео обратно на орбитальный аппарат, поскольку он будет иметь такую большую мощность.
«Наша концепция, как правило, воспринимается как… вау, это звучит очень круто! Когда я смогу получить его? »- сказал Томас журналу« Спейс ». Она сказала, что она и ее команда выбрали в своем предложении прототип миссии орбитального и посадочного аппарата Плутона, потому что это прекрасный пример того, что можно сделать с помощью ракеты-носителя.
Их термоядерная система использует небольшой линейный набор соленоидных катушек, и их предпочтительным топливом является дейтерий-гелий-3, который имеет очень низкое производство нейтронов.
«Он подходит к космическому кораблю, он подходит к ракете-носителю», - объяснила Томас в своем выступлении на симпозиуме NIAC (ее доклад начинается около 17:30 в связанном видео). «Там нет лития или других опасных материалов, он производит очень мало повреждающих частиц. Это размером с минивэн или маленький грузовик. Наша система дешевле и быстрее развивается, чем другие предложения по слиянию ».
С помощью эксперимента по нагреву плазмы команда Принстона смогла произвести 300-миллисекундные импульсы, что на порядок лучше, чем у любой другой системы.
«Самым большим препятствием является сам синтез», - сказала она. «Нам нужно провести более масштабный эксперимент, чтобы завершить апробацию нового метода отопления, который потребует на порядок больше ресурсов, чем проект получал от Министерства энергетики до сих пор», - сказал Томас по электронной почте. «Тем не менее, он по-прежнему невелик в грандиозной схеме проектов в области передовых технологий, около 50 миллионов долларов»
Томас сказал, что DARPA потратила гораздо больше на многие технологические инициативы, которые в итоге были отменены. И это также намного меньше, чем требуется другим технологиям сварки для той же стадии исследований, поскольку наша машина очень мала и имеет простую конфигурацию катушки ». (Томас сказал, что посмотрите на бюджет для ИТЭР, международного исследовательского и инженерного мегапроекта по синтезу ядерных материалов, который в настоящее время насчитывает более 20 миллиардов долларов).
«Проще говоря, мы знаем, что наш метод действительно хорошо нагревает электроны и может экстраполировать на нагревание ионов, но нам нужно создать его и доказать это», - сказала она.
Томас и ее команда в настоящее время работают над технологией «баланса завода» - подсистемами, которые потребуются для работы двигателя в космосе, при условии, что метод нагрева работает так, как прогнозируется в настоящее время.
Что касается самой миссии Плутона, Томас сказал, что никаких особых препятствий на самом орбите нет, но это потребует расширения нескольких технологий, чтобы использовать в своих интересах очень большой объем доступной энергии, такой как оптическая связь.
«Мы могли бы отдавать десятки и более кВт мощности лазеру связи, а не 10 Вт, [как в текущих миссиях]», - сказала она. «Еще одна уникальная особенность нашей концепции - способность передавать большое количество энергии посадочному аппарату. Это позволило бы создать новые классы планетарных научных инструментов, таких как мощные тренировки. Технология для этого существует, но конкретные инструменты должны быть спроектированы и изготовлены. Дополнительные технологии, которые будут нуждаться в разработке в различных отраслях промышленности, - это легкие космические радиаторы, сверхпроводящие провода следующего поколения и долговременное криогенное хранение дейтериевого топлива ».
Томас сказал, что их исследования NIAC идут хорошо.
«Мы были отобраны для исследования II фазы NIAC и сейчас ведем переговоры по контракту», - сказала она. «Мы заняты работой над более точными моделями тяги двигателя, разработкой компонентов траектории и определением размеров различных подсистем, включая сверхпроводящие катушки», - сказала она. «По нашим текущим оценкам, один двигатель мощностью от 1 до 10 МВт будет генерировать тягу от 5 до 50 Н с удельным импульсом около 10 000 с».
Лазерная связь с Плутоном
Другой возможностью футуристического движения являются лазерные системы, предложенные Юрием Милнером для его предложения «Прорыв звездного выстрела», где маленькие кубы могут быть поражены лазерами на Земле, в основном космическим кораблем «жучка» для достижения невероятных скоростей (возможно, миллионов миль / км в час). ) посетить внешнюю солнечную систему или за ее пределы.
«На самом деле использование таких технологий не является обязательным условием, потому что нам нужно было ждать десятилетия, чтобы это было разработано», - сказал Стерн. «Но если бы вы могли отправить легкий, недорогой космический корабль со скоростью, равной одной десятой скорости света на основе лазеров с Земли. Мы могли бы отправить эти небольшие космические корабли сотням или тысячам объектов в поясах Койпера, и вы окажетесь там через два с половиной дня. Вы можете отправить космический корабль мимо Плутона каждый день. Это действительно изменило бы игру ».
Реалистичное будущее
Но даже если все согласны с тем, что орбиту Плутона следует выполнить, самая ранняя возможная дата такой миссии - где-то между началом 2020-х и началом 2030-х годов. Но все зависит от рекомендаций, сформулированных в следующем десятилетнем обзоре научного сообщества, в котором будут предложены наиболее приоритетные задачи для Отделения планетарных наук НАСА.
Эти Десятилетние опросы являются 10-летними «дорожными картами», которые устанавливают научные приоритеты и дают указания относительно того, куда НАСА должно отправлять космические корабли и какими типами миссий они должны быть. Последнее Десятилетнее Обследование было опубликовано в 2011 году, и в нем были определены приоритеты планетарной науки до 2022 года. Следующее, на 2023-2034 годы, вероятно, будет опубликовано в 2022 году.
Миссия «Новые горизонты» была результатом предложений Обзора десятилетий, посвященных планетарной науке 2003 года, где ученые заявили, что посещение системы Плутона и других миров является приоритетным направлением.
Так что, если вы мечтаете об орбите Плутона, продолжайте говорить об этом.
