К комете Галлея предложили отправить аппарат, который сможет сопровождать ее месяцами

Комета Галлея остается одним из самых известных небесных тел Солнечной системы. Она возвращается к Солнцу примерно раз в 75–76 лет, однако предыдущая встреча человечества с ней в 1986 году оказалась чрезвычайно короткой даже для космических аппаратов. Несколько автоматических станций смогли пролететь рядом с кометой и получить уникальные данные, но непосредственное изучение продолжалось лишь несколько часов.

Теперь предложен проект значительно более амбициозной экспедиции. Согласно разработанной траектории, космический аппарат мог бы не просто пролететь мимо кометы Галлея, а выйти на траекторию, позволяющую двигаться вместе с ней. Встреча могла состояться в 2060 году — примерно за год до следующего прохождения кометой ближайшей к Солнцу точки своей орбиты.

Главная особенность такого проекта заключается в использовании гравитационных маневров сразу у двух гигантских планет — Юпитера и Сатурна. Благодаря этому аппарату не потребовалась бы сверхмощная двигательная установка, которую пришлось бы разрабатывать специально для столь сложной миссии. Предложенная схема основана на технологиях, которые уже существуют, хотя сама экспедиция пока остается проектом и не утверждена к реализации.

Почему к комете Галлея так трудно отправить аппарат

На первый взгляд может показаться, что отправить автоматическую станцию к комете проще, чем к удаленной планете. Кометы сами периодически приближаются к внутренней части Солнечной системы, поэтому космическому аппарату остается лишь встретиться с движущимся небесным телом.

На практике ситуация значительно сложнее. Одно дело — пересечь траекторию кометы и совершить быстрый пролет, и совсем другое — выйти на почти одинаковую с ней орбиту и снизить относительную скорость настолько, чтобы аппарат мог оставаться рядом.

Именно второй вариант называют сближением с выходом на совместную траекторию, или рандеву. Для его выполнения космический аппарат должен не только оказаться в нужной точке пространства, но и двигаться почти так же, как сама комета.

Необычная орбита кометы Галлея

Главная проблема связана с траекторией кометы. Ее орбита имеет очень большой наклон — около 162 градусов. Кроме того, комета движется вокруг Солнца в направлении, противоположном движению большинства планет.

Планеты Солнечной системы в основном обращаются вокруг Солнца в одном направлении и находятся вблизи общей плоскости, которую называют плоскостью эклиптики. Комета Галлея движется ретроградно и пересекает пространство планетной системы по совершенно иной траектории.

Для космического аппарата изменение направления и наклона орбиты требует огромных затрат энергии. Именно поэтому прежние экспедиции к комете не пытались сопровождать ее длительное время.

Аппараты пересекали область вокруг кометы на большой относительной скорости, проводили наблюдения и продолжали движение по собственным траекториям.

Что удалось узнать о комете во время предыдущей встречи

Последний раз комета Галлея прошла через внутреннюю часть Солнечной системы в 1986 году. К этому событию была направлена целая группа космических аппаратов, которую иногда называют «армадой Галлея».

Среди наиболее известных участников были европейский аппарат Giotto и советские автоматические станции «Вега-1» и «Вега-2».

Эти миссии впервые позволили получить непосредственные данные о ядре кометы и окружающем его веществе.

Несколько часов вместо длительного исследования

Несмотря на историческую важность экспедиций 1986 года, аппараты могли наблюдать комету только в течение очень ограниченного времени.

Высокая скорость относительного движения не позволяла им оставаться рядом с ядром. Станции быстро пересекали кому — облако газа и пыли, окружающее активную комету, — собирали данные и продолжали движение.

Такой подход позволил сделать важные открытия, но оставил множество вопросов.

Особенно сложно изучать комету в разные периоды ее активности, когда она постепенно приближается к Солнцу. По мере нагревания ядра замороженные вещества начинают переходить в газ, выбрасывая пыль в окружающее пространство. Комета меняется, а ее активность может развиваться в течение длительного времени.

Краткий пролет позволяет увидеть только отдельный этап этого процесса.

Именно поэтому возможность сопровождать комету в течение месяцев представляет особый научный интерес.

Как можно использовать гравитацию планет

Предложенная миссия не предполагает, что аппарат самостоятельно изменит свою орбиту исключительно с помощью двигателей.

Основную роль в проекте должны сыграть гравитационные маневры.

Этот метод давно используется в космонавтике. Космический аппарат пролетает рядом с планетой и использует ее гравитационное поле для изменения собственной скорости и направления движения относительно Солнца.

Планета при этом практически не меняет свою орбиту из-за огромной разницы масс, тогда как траектория небольшого космического аппарата может существенно измениться.

Почему одного гравитационного маневра недостаточно

Предыдущие варианты траекторий показывали, что один гравитационный маневр не позволяет достаточно эффективно решить проблему сложной орбиты кометы Галлея.

Особенно трудно изменить наклон траектории на величину, необходимую для сближения с объектом, движущимся по ретроградной орбите.

Поэтому в новом проекте предложено использовать два последовательных гравитационных взаимодействия.

Первое должно происходить возле Юпитера, а второе — возле Сатурна.

Сначала Юпитер, затем Сатурн

После запуска аппарат должен постепенно изменять свою траекторию с помощью электрической двигательной установки.

Затем он совершит гравитационный маневр возле Юпитера. Гравитация крупнейшей планеты Солнечной системы должна изменить скорость аппарата и направить его к области орбиты Сатурна.

Следующий важнейший этап предполагается провести у Сатурна.

Именно гравитационное взаимодействие с этой планетой должно помочь изменить плоскость орбиты аппарата. Это позволит приблизить его траекторию к чрезвычайно наклоненной орбите кометы Галлея.

Таким образом, часть наиболее сложной работы будет выполнена не за счет огромного расхода топлива, а благодаря последовательному использованию гравитации двух планет-гигантов.

Двигатели малой тяги для очень долгого путешествия

Проект предполагает использование двигателей на эффекте Холла.

Такие двигательные установки относятся к электрическим ракетным двигателям. Они создают небольшую тягу, значительно меньшую, чем у обычных химических двигателей, но способны работать длительное время.

Для межпланетной миссии продолжительностью более двух десятилетий именно длительная работа двигателя может оказаться важнее высокой мгновенной тяги.

Аппарат постепенно изменяет свою скорость в течение продолжительных периодов, экономно расходуя рабочее тело.

Почему электрическая тяга подходит для такой миссии

Комета Галлея находится на траектории, которую чрезвычайно сложно достичь с помощью одного мощного ускорения.

Для такого полета необходимо постепенно изменять параметры орбиты, одновременно используя возможности гравитационных маневров.

Двигатели на эффекте Холла позволяют выполнять продолжительное малотяговое ускорение. В предложенной схеме они должны работать совместно с гравитационными маневрами у Юпитера и Сатурна.

Это принципиально отличает проект от некоторых более ранних концепций экспедиции к комете.

Ранее рассматривались варианты, требующие технологий с гораздо более высокой энергетической мощностью или сверхтяжелых ракет-носителей. Такие решения либо еще не были реализованы, либо требовали разработки систем, не имеющих достаточной практической готовности.

Новая схема пытается использовать более доступное сочетание существующих технологий.

Почему аппарату понадобится радиоизотопный источник энергии

На больших расстояниях от Солнца эффективность солнечных батарей значительно уменьшается.

Чем дальше находится аппарат, тем меньше солнечного света получает его энергетическая система. Для длительного путешествия к Юпитеру и Сатурну это становится важным ограничением.

Поэтому в проекте предусматривается использование радиоизотопного источника энергии.

Такое устройство преобразует тепло, возникающее при естественном радиоактивном распаде определенного материала, в электричество. Получаемая энергия может использоваться для работы бортовых систем и электрической двигательной установки.

Преимущество подобного источника заключается в том, что его работа не зависит от интенсивности солнечного света.

Это особенно важно для аппарата, которому предстоит провести десятилетия в дальних областях Солнечной системы.

Путешествие длиной более двадцати лет

Один из наиболее необычных аспектов проекта — продолжительность полета.

Согласно предложенной траектории, наиболее подходящие окна для запуска находятся в августе 2036 года и сентябре 2037 года.

После запуска аппарату потребуется более двух десятилетий, чтобы достичь района встречи.

Предполагается, что космическая станция приблизится к комете в 2060 году.

Следующее прохождение кометы Галлея через ближайшую к Солнцу точку орбиты ожидается примерно в 2061 году.

Таким образом, аппарат мог бы встретить комету заранее, еще до того, как ее активность достигнет максимальных значений во время дальнейшего приближения к Солнцу.

Что даст ранняя встреча с кометой

Прибытие примерно за год до перигелия имеет большое научное значение.

Комета меняется по мере приближения к Солнцу. Солнечное излучение постепенно нагревает поверхность и подповерхностные слои ее ядра. Летучие вещества начинают переходить в газ и покидать поверхность.

Вырывающийся газ увлекает за собой частицы пыли, и вокруг ядра формируется все более заметная кома.

Возможность наблюдать развитие активности

Если аппарат прибывает только в момент максимальной активности, он видит уже развившееся состояние кометы.

Длительное сопровождение позволяет наблюдать изменения последовательно.

Автоматическая станция могла бы фиксировать, как меняется активность ядра по мере приближения к Солнцу, какие участки поверхности становятся источниками выбросов вещества и как изменяется состав окружающей среды.

Это существенно отличается от быстрого пролета, когда научные приборы получают информацию лишь за короткий промежуток времени.

Длительные наблюдения позволили бы исследовать комету как изменяющуюся систему, а не как объект, состояние которого удалось зафиксировать только в один момент.

Почему особенно важно изучить ядро кометы

Кометное ядро представляет собой относительно небольшое тело, состоящее из различных замороженных веществ, пыли и каменистого материала.

При удалении от Солнца ядро может выглядеть как сравнительно темный объект. Его знаменитые хвост и яркая кома появляются главным образом тогда, когда нагрев приводит к активному выделению вещества.

Поверхность ядра и процессы, происходящие под ней, содержат информацию о ранней истории Солнечной системы.

Кометы сохраняют древнее вещество

Небольшие ледяные тела сформировались на ранних этапах существования Солнечной системы.

Хотя кометы не являются полностью неизменными объектами и их поверхность постепенно преобразуется, часть их вещества может сохранять сведения о химических и физических условиях далекого прошлого.

Непосредственное изучение ядра позволяет определять состав выбрасываемого вещества, исследовать структуру поверхности и наблюдать механизмы кометной активности.

Однако кратковременные пролеты ограничивают возможности таких исследований.

Аппарат, способный оставаться рядом с кометой месяцами, мог бы получить значительно более полную картину происходящих процессов.

Научная аппаратура может составить сотни килограммов

В предложенной архитектуре миссии предусмотрен значительный запас массы для научного оборудования.

Расчеты предполагают, что после выполнения длительного межпланетного путешествия аппарат сможет сохранить около 750 килограммов массы, предназначенной для научной аппаратуры.

Это важно, поскольку миссия должна будет одновременно изучать несколько различных аспектов кометы.

Необходимо исследовать само ядро, окружающую его газопылевую среду и изменения, происходящие по мере приближения к Солнцу.

Чем дольше аппарат остается рядом с кометой, тем более разнообразные наблюдения он может проводить.

Что означает рандеву с кометой

Слово «встреча» применительно к космической миссии может создавать неправильное представление.

Аппарат не должен просто оказаться рядом с кометой в определенный момент.

Для полноценного рандеву необходимо максимально уменьшить относительную скорость и согласовать траекторию аппарата с движением объекта.

Это чрезвычайно сложно для кометы Галлея.

Пролет и сопровождение — разные типы миссий

При пролете космический аппарат пересекает траекторию цели. Даже если расстояние между ними минимально, относительная скорость может оставаться огромной.

Наблюдения в таком случае ограничены временем, за которое аппарат проходит через окрестности цели.

При рандеву аппарат должен изменить собственную траекторию так, чтобы длительное время оставаться в одной области пространства относительно исследуемого объекта.

Именно это является основной целью предложенного проекта.

Если расчетная траектория будет реализована, комета может стать объектом продолжительного непосредственного исследования, а не краткого пролета.

Почему именно комета Галлея остается важной целью

Комета Галлея обладает уникальным статусом не только благодаря своей известности.

Это один из немногих объектов, возвращение которого можно предсказывать на протяжении человеческой жизни. Она регулярно проходит через внутреннюю часть Солнечной системы, и будущие поколения уже знают приблизительное время следующей возможности для ее исследования.

Кроме того, миссии 1986 года показали научную ценность непосредственных наблюдений.

Однако ограничения тех экспедиций также стали очевидными. Высокая скорость относительного движения и сложная траектория кометы не позволили аппаратам долго оставаться рядом.

Поэтому задача полноценного сопровождения кометы сохраняет научную актуальность.

Что необходимо сделать до 2036 года

Несмотря на то что предполагаемая встреча должна произойти только в 2060 году, ключевые решения необходимо принимать значительно раньше.

Для предложенной траектории существуют ограниченные окна запуска.

Если они действительно являются наиболее подходящими для данной схемы, запуск потребуется выполнить в августе 2036 года или сентябре 2037 года.

Это означает, что до начала полета необходимо разработать сам аппарат, подготовить научные приборы, провести испытания двигательной и энергетической систем, выбрать ракету-носитель и утвердить финансирование.

Двадцатилетняя продолжительность полета также предъявляет особые требования к надежности оборудования.

Аппарат должен сохранять работоспособность в течение десятилетий, пережить гравитационные маневры у двух планет-гигантов и продолжать научную работу после прибытия к комете.

Какие проблемы пока остаются нерешенными

Предложенная траектория показывает, что миссия может быть физически реализуема с использованием известных технологий, но это не означает существования готового проекта космической экспедиции.

Исследование описывает возможную архитектуру полета. Для реальной миссии потребуется гораздо более детальная инженерная проработка.

Необходимо будет определить конструкцию аппарата, набор научных инструментов, параметры энергетической системы и программу управления на протяжении десятилетий.

Отдельной проблемой остается финансирование.

Миссия такого масштаба требует долгосрочных обязательств. Решения придется принимать более чем за двадцать лет до предполагаемой встречи с кометой.

Кроме того, сам проект должен пройти полноценную проверку с точки зрения надежности, стоимости и научной ценности.

Возможная миссия открывает новое окно для изучения комет

Главное значение предложенной траектории заключается в том, что она предлагает конкретный способ решить проблему, которая долго ограничивала исследования кометы Галлея.

Ее необычная ретроградная орбита и огромный наклон делают непосредственное сопровождение чрезвычайно сложной задачей. Простого запуска мощного аппарата недостаточно: необходимо одновременно изменить скорость и направление движения.

Использование двух гравитационных маневров — у Юпитера и Сатурна — в сочетании с длительной работой электрических двигателей может обеспечить необходимое изменение траектории без применения пока не проверенных сверхмощных космических технологий.

Если подобная миссия будет реализована, человечество впервые сможет наблюдать комету Галлея с близкого расстояния не несколько часов, а в течение длительного времени.

Аппарат мог бы прибыть еще до следующего прохождения кометой перигелия и наблюдать, как один из самых известных объектов Солнечной системы постепенно изменяется по мере приближения к Солнцу.

Пока это лишь научно проработанный вариант будущей экспедиции. Однако сама возможность построить траекторию с использованием существующих типов двигателей, радиоизотопного источника энергии и гравитационных маневров делает проект более конкретным, чем многие прежние предложения.

Следующее возвращение кометы Галлея произойдет только через десятилетия, но возможность подготовиться к нему ограничена гораздо более коротким сроком. Если подходящее окно запуска будет использовано, в 2060 году космический аппарат может впервые не просто пересечь путь знаменитой кометы, а начать длительное путешествие рядом с ней.

Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org