На прошлой неделе, с понедельника 27 февраля по среду 1 марта, НАСА провела «Семинар Planetary Science Vision 2050» в своей штаб-квартире в Вашингтоне, округ Колумбия. В ходе многочисленных презентаций, выступлений и выступлений, которые составили семинар, НАСА и его филиалы поделились своими многочисленными предложениями о будущем исследовании Солнечной системы.
Очень популярной темой во время семинара было исследование Титана. Помимо того, что он является единственным другим телом в Солнечной системе с атмосферой, богатой азотом и видимой жидкостью на его поверхности, он также обладает средой, богатой органической химией. По этой причине команда во главе с Майклом Паукеном (из Лаборатории реактивного движения НАСА) провела презентацию, в которой подробно рассказывалось о том, как ее можно исследовать с помощью летательных аппаратов.
Презентация, которая называлась «Наука в различных научных регионах на Титане с использованием воздушных платформ», также проходила под председательством представителей аэрокосмической отрасли, таких как AeroVironment и Global Aerospace из Монровии, Калифорния, и Thin Red Line Aerospace из Chilliwack, ДО Н.Э. Вместе они рассмотрели различные концепции воздушных платформ, которые были предложены для Titan с 2004 года.
В то время как концепция исследования Титана с помощью воздушных дронов и воздушных шаров восходит к 1970-м и 80-м годам, 2004 год был особенно важен, поскольку именно в это время посадочный аппарат Гюйгенса провел первое исследование поверхности Луны. С тех пор было сделано много интересных и выполнимых предложений для воздушных платформ. Как сказал доктор Паукен Space Magazine по электронной почте:
“Миссия Кассини-Гюйгенс раскрыла многое о Титане, которого мы не знали раньше, и это также подняло намного больше вопросов. Это помогло нам определить, что изображение поверхности возможно ниже 40-километровой высоты, поэтому интересно знать, что мы можем сделать аэрофотоснимки Титана и отправить их домой ».
Эти концепции можно разделить на две категории: ремесло «легче-воздух» (LTA) и ремесло «тяжелее-воздух» (HTA). И как объяснил Паукен, они оба хорошо подходят для исследования луны, подобной Титану, в которой атмосфера на самом деле более плотная, чем у Земли - 146,7 кПа на поверхности по сравнению с 101 кПа на уровне моря на Земле - но только 0,14 раз сила тяжести (похож на луну).
«Плотность атмосферы Титана выше, чем у Земли, поэтому она отлично подходит для полетов на легких транспортных средствах, таких как воздушные шары», - сказал он. «Низкая гравитация Титана является преимуществом для транспортных средств тяжелее воздуха, таких как вертолеты или самолеты, поскольку они будут« весить »меньше, чем на Земле».
«Концепции LTA« легче воздуха »являются плавучими и не нуждаются в энергии, чтобы оставаться на высоте, поэтому больше энергии можно направить на научные приборы и средства связи. Концепции «тяжелее воздуха» должны потреблять энергию, чтобы оставаться в воздухе, что отнимает у науки и телекоммуникаций. Но HTA может быть нацелена на цели быстрее и точнее транспортных средств LTA, которые в основном дрейфуют от ветра ».
TSSM Montgolfiere Balloon:
Планы по использованию воздушного шара Монгольфьера для исследования Титана восходят к 2008 году, когда НАСА и ЕКА совместно разработали концепцию миссии миссии Титана Сатурн (TSSM). Концепция флагманской миссии, TSSM будет состоять из трех элементов, включая орбитальный аппарат НАСА и два элемента, разработанных ЕКА на месте - спускаемый аппарат для исследования озер Титана и воздушный шар Montgolfiere для исследования его атмосферы.
Орбитер будет полагаться на радиоизотопную энергетическую систему (RPS) и солнечную электрическую тягу (SEP) для достижения системы Сатурна. И по пути к Титану он будет отвечать за изучение магнитосферы Сатурна, пролетая сквозь перья Энцелада, чтобы проанализировать ее на наличие биологических маркеров, и снимать «тигровые полоски» Энцелада в южной полярной области.
Как только орбитальный аппарат достигнет орбитальной связи с Сатурном, он выпустит Montgolfiere во время своего первого пролета Титана. Контроль ориентации воздушного шара будет обеспечиваться путем нагревания окружающего газа отработанным теплом RPS. Основная миссия продлилась бы в общей сложности около 4 лет, включая двухлетний тур по Сатурну, двухмесячную фазу аэродинамического отбора на Титане и 20-месячную орбитальную фазу.
Из преимуществ этой концепции наиболее очевидным является тот факт, что транспортное средство Montgolfiere, работающее на RPS, может работать в атмосфере Титана в течение многих лет и сможет изменять высоту при минимальном потреблении энергии. В то время концепция TSSM конкурировала с предложениями миссии для спутников Европы и Ганимеда.
В феврале 2009 года и TSSM, и концепция Миссии системы Европы Юпитера (EJSM) были выбраны для продвижения вперед в развитии, но EJSM был присвоен первый приоритет. Эта миссия была переименована в Europa Clipper, и ее запуск запланирован на 2020 год (а прибытие в Европу к 2026 году).
Titan Helium Balloon:
Последующее исследование воздушных шаров Montgolfiere показало, что годы гораздо меньшего срока службы и минимальные затраты энергии также могут быть достигнуты в гораздо более компактной конструкции воздушного шара. Комбинируя дизайн с оболочкой и гелием, такая платформа могла бы работать в небе Титана в четыре раза дольше, чем воздушные шары здесь, на Земле, благодаря гораздо более низкой скорости диффузии.
Управление высотой также было бы возможно с очень скромными количествами энергии, которая могла быть обеспечена или через насос или механическое сжатие. Таким образом, благодаря RPS, обеспечивающему мощность, можно ожидать, что платформа прослужит дольше, чем аналогичные конструкции баллонов. Этот воздушно-гелиевый воздушный шарик также может быть соединен с планером для создания более легкого воздушного судна, способного к боковому движению.
В качестве примера можно привести крылатый аэробот «Титан» (TWA, показанный ниже), который был исследован в рамках программы НАСА по исследованию инноваций для малого бизнеса 2016 года (SBIR). Разработанный Global Aerospace Corporation в сотрудничестве с Northrop Grumman, TWA представляет собой гибридный летательный аппарат, воздушный шар и маневренный планер с 3-D направленным управлением, который может удовлетворить многие научные цели.
Как и концепция Mongtolfiere, она будет опираться на минимальную мощность, обеспечиваемую одним RPS. Его уникальная система плавучести также позволит ему спускаться и подниматься без необходимости использования движителей или поверхностей управления. Одним из недостатков является тот факт, что он не может приземлиться на поверхность Луны для проведения исследований, а затем снова взлететь. Однако конструкция допускает полет на малой высоте, что позволило бы доставлять зонды на поверхность.
Другие концепции, которые были разработаны в последние годы, включают самолеты тяжелее воздуха, которые сосредоточены вокруг разработки самолетов и вертолетов.
Фиксированные крылья:
Концепции для самолетов были также предложены в прошлом для миссии на Титане. Ярким примером этого является летательный аппарат для разведки на месте и воздушно-десантной разведки титанов (AVIATR), беспилотный летательный аппарат (БПЛА), который был предложен Джейсоном Барнсом и Лоуренсом Лемке в 2011 году (из Университета Айдахо и Университета Центрального Мичигана, соответственно).
Полагаясь на RPS, который будет использовать отработанное тепло распадающегося плутония-238 для питания небольшой задней турбины, этот маломощный корабль будет использовать преимущества плотной атмосферы Титана и низкой силы тяжести для ведения длительного полета. Новая стратегия «подняться-затем-скользить», при которой двигатель выключался во время периодов скольжения, также позволяла бы сохранять энергию для оптимального использования во время сеансов связи.
Это устраняет главный недостаток самолетов с неподвижным крылом, который заключается в необходимости разделения мощности между потребностями в поддержании полета и проведении научных исследований. Однако AVIATR ограничен в одном отношении тем, что он не может спускаться на поверхность для проведения научных экспериментов или сбора образцов.
Rotorcraft:
Наконец, что не менее важно, это концепция вертолета. В этом случае воздушной платформой будет квадрокоптер, который будет хорошо подходить для атмосферы Титана, позволит легко подниматься и спускаться, а также проводить исследования на поверхности. Он также воспользуется разработками коммерческих беспилотников и беспилотников последних лет.
Эта концепция миссии будет состоять из двух компонентов. С одной стороны, есть вертолет, известный как воздушный дочерний аппарат «Титан» (TAD), который будет полагаться на систему перезаряжаемых аккумуляторов для питания при выполнении коротких полетов (около часа за раз). Вторым компонентом является «Mothercraft», который принимает форму спускаемого аппарата или воздушного шара, к которому TAD будет возвращаться между рейсами для перезарядки с бортового RPS.
В настоящее время Лаборатория реактивного движения НАСА разрабатывает аналогичную концепцию, известную как Марс-вертолет «Разведчик», для использования на Марсе, которая, как ожидается, будет запущена на борту миссии «Марс 2020». В этом случае конструкция предусматривает использование двух коаксиальных роторов, вращающихся в противоположных направлениях, что обеспечит наилучшее соотношение тяги к весу в разреженной атмосфере Марса.
Элизабет Тертл и ее коллеги из APL Джона Хопкинса и Университета Айдахо (включая Джеймса Барнса) преследуют еще одну концепцию вертолета. При поддержке НАСА и членов Центра космических полетов Годдарда, Университета штата Пенсильвания и Honeybee Robotics они предложили концепцию, известную как «Стрекоза».
Их летательный аппарат полагался на четыре ротора, чтобы использовать в своих интересах плотную атмосферу Титана и низкую гравитацию. Его дизайн также позволил бы ему легко получать образцы и определять состав поверхности в нескольких геологических условиях. Эти результаты будут представлены на предстоящей 48-й Лунной и Планетарной Научной Конференции, которая пройдет с 20 по 24 марта в Вудлендсе, штат Техас.
Хотя освоение Титана, вероятно, отойдет на второй план от освоения Европы в ближайшие десятилетия, ожидается, что миссия будет развернута до середины этого столетия. Не только научные цели в обоих случаях почти одинаковы - возможность исследовать уникальную среду и искать жизнь за пределами Земли - но и выгоды будут сопоставимы.
С каждым потенциально жизненным телом, которое мы исследуем, мы узнаем больше о том, как жизнь началась в нашей Солнечной системе. И даже если мы не найдем жизни в этом процессе, мы многое узнаем об истории и становлении Солнечной системы. Кроме того, мы будем на один шаг ближе к пониманию места человечества во Вселенной.
