JUICE. Сценарий миссии

21:15 20/03/2023

0 👁 674

Credit: NASA/JPL

Космический аппарат Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) Европейского космического агентства (ЕКА) недавно прибыл во Французскую Гвиану для предстоящего запуска, который в настоящее время назначен на 13 апреля 2023 года на РН Ariane 5.

Хотя запуск JUICE, безусловно, будет захватывающим и важным событием на временной шкале миссии, то, что происходит после запуска, возможно, является одним из самых важных событий миссии. После запуска JUICE проведет восемь лет, путешествуя по внутренней части Солнечной системы, выполняя четыре гравитационные операции, чтобы поднять свой афелий (самая удаленная от Солнца точка на его орбите) к плоскости орбиты Юпитера. Более того, на самом Юпитере JUICE совершит несколько облетов трех ледяных лун Юпитера — Ганимеда, Каллисто и Европы , чтобы раскрыть секреты этих потенциально обитаемых небесных тел.

Траектория JUICE

Когда JUICE запустится из Французской Гвианы в апреле, он будет оснащен одними из самых последних и лучших инструментов планетарной науки для исследования характеристик Ганимеда, Каллисто и Европы. Однако, прежде чем он сможет использовать какой-либо из этих инструментов, космический аппарат должен полететь к Юпитеру, сделав это с помощью четырех облетов.

В ходе первого из этих четырех облетов JUICE совершит первый в своем роде облет системы Земля-Луна под названием Lunar-Earth Gravity Assist (LEGA). Маневр состоится в августе 2024 года, и JUICE пролетит мимо Луны и Земли, используя гравитацию обоих небесных тел за один маневр. В случае успеха облет LEGA сэкономит JUICE значительное количество топлива, потенциально предоставив группам миссии больше возможностей для облетов Юпитера или продления миссии.

Во время второго пролета, запланированного на август 2025 года, JUICE пролетит мимо Венеры, используя гравитацию планеты для увеличения высоты в афелии. Последние два облета, запланированные на сентябрь 2026 года и январь 2029 года, будут связаны с Землей, а четвертый облет увеличит высоту афелия космического аппарата до орбитальной плоскости Юпитера и выведет космический аппарат на траекторию перехвата огромного гравитационного колодца планеты.

Во время каждого пролета JUICE будет использовать гравитацию системы Земля-Луна, Венеры или самой Земли, чтобы увеличить скорость вокруг Солнца. Когда орбитальная скорость космического аппарата увеличивается, высота его орбиты также увеличивается. Более того, после четвертого и последнего гравитационного облета Земли JUICE потенциально может совершить облет астероида во время полета к Юпитеру. Если команды миссии решат совершить облет астероида под названием 223 Rosa, этот облет послужит генеральной репетицией первого облета Ганимеда космическим аппаратом после его прибытия в систему Юпитера в июле 2031 года.

Возможности, которые обнаружила динамика полета и анализ миссии в ЕКА для пролета астероида, как правило, возникают после последней гравитационной помощи Земли, то есть на конечной траектории дуги к Юпитеру. JUICE будет на этой траектории как минимум через пять-шесть лет после запуска. Так что есть время подумать об этом, а это означает, что решение нужно будет принять в первые несколько лет после запуска. Затем траектория будет точно настроена за счет нескольких метров в секунду дополнительной дельта-v, которую команда может приспособить, чтобы действительно нацеливаться на эти астероиды на пути к Юпитеру».

Инструменты JUICE

Как уже упоминалось, JUICE доставит на Юпитер набор самых современных инструментов, предоставив группам миссий и ученым-планетологам самый мощный компонент дистанционного зондирования, геофизических исследований и полезной нагрузки на месте, который когда-либо доставлялся на Юпитер и во внешнюю Солнечную систему.

Всего JUICE доставит на Юпитер 10 инструментов. Каждый из 10 инструментов можно разделить на три пакета инструментов: пакет дистанционного зондирования, геофизический пакет и пакет инструментов на месте.

Пакет дистанционного зондирования состоит из Jovis, Amorum ac Natorum Undique Scrutator (JANUS), спектрометра изображений Луны и Юпитера (MAJIS), спектрографа УФ-изображения (UVS) и прибора субмиллиметровых волн (SWI). Пакет инструментов будет служить для изображения поверхности ледяных лун, обеспечивая возможности визуализации в ультрафиолетовом и субмиллиметровом диапазоне длин волн.

Геофизический пакет состоит из лазерного высотомера GAnymede (GALA), радара для исследования ледяных лун (RIME) и гравитационно-геофизических исследований Юпитера и галилеевых спутников (3GM). Ожидается, что GALA и RIME предоставят лазерные и радиолокационные технологии для использования при исследовании поверхностей ледяных спутников, а 3GM предоставит радиотехнологии, которые позволят ученым исследовать атмосферу Юпитера и его ледяных спутников для измерения их гравитационных полей.

Последним из трех пакетов инструментов является пакет in situ, который состоит из пакета Particle Environment Package (PEP), JUICE-Magnetometer (J-MAG) и Radio & Plasma Wave Investigation (RPWI). PEP будет изучать среду частиц, окружающую Юпитер и его ледяные спутники, J-MAG будет изучать взаимодействие магнитных полей между Юпитером и спутниками, а RPWI будет изучать радиоволны и плазменные волны вокруг Юпитера. Более того, в комплексе in situ будут датчики электрического и магнитного поля и четыре зонда Ленгмюра. В дополнение к трем пакетам инструментов на JUICE, Планетарный радиоинтерферометр и доплеровский эксперимент (PRIDE) будет использовать наземную интерферометрию с очень длинной базой для получения точных измерений положения и скорости для команд JUICE на Земле.

С тремя наборами инструментов и одним экспериментом на одной шине космического аппарата электроника и программное обеспечение JUICE должны управлять довольно большим количеством инструментов, особенно с учетом того, что многие инструменты были разработаны различными агентствами по всему миру.

Массивные солнечные батареи JUICE площадью около 85 квадратных метров должны стать крупнейшими солнечными батареями, когда-либо построенными для межпланетных космических аппаратов, и будут служить для производства большого количества энергии для JUICE и его инструментов. Несмотря на большое количество инструментов, JUICE сможет запускать все свои инструменты одновременно.

В JUICE  решили подключить все инструменты параллельно. И на это есть веская причина. Будет только два близких облета Европы, и ученые хотят иметь возможность использовать все инструменты вместе при максимальном сближении с Европой, во время которого аппарат будет летать на высоте 400 километров над Европой.

Во время полета к Юпитеру запланировано очень мало научной деятельности. И ученые будут проводить регулярную проверку всех полезных нагрузок каждые шесть месяцев. Однако облеты Венеры и Земли дают прекрасную возможность выполнить калибровку инструментов. В частности, ученые будут калибровать магнитометры, путешествуя по магнитному полю Земли во время облета Земли, так что это один из конкретных примеров того, что команда будет делать во время облета Земли.

Однако, если ученые решат попытаться провести научную работу на Венере, они не смогут этого сделать, поскольку ориентация JUICE, которую необходимо поддерживать в течение восьмилетней береговой фазы, ограничит инструменты, которые можно использовать.

Существует особое ограничение, которое должны постоянно соблюдать во время внутреннего круиза по Солнечной системе, которое заключается в том, чтобы JUICE постоянно был направлен на солнце, а антенна с высоким коэффициентом усиления была обращена к солнцу. Это сделано для оптимизации конструкции подсистемы терморегулирования космического аппарата. Так вот, из-за этого при пролете мимо Венеры ученые не смогут повернуть космический аппарат в том направлении, в котором хотели бы проводить научные операции. Ученые смогут включать инструменты и проводить наблюдения, но при условии, что космический аппарат будет направлен в одном направлении и постоянно будет направлен на Солнце антенной с высоким коэффициентом усиления.

Научные цели и деятельность JUICE

Основная цель миссии JUICE — охарактеризовать и исследовать три крупнейших ледяных спутника Юпитера — Ганимед, Каллисто и Европу. Каждая из лун имеет поверхности, которые в основном состоят из льда, и считается, что под ледяной корой могут существовать подземные океаны. Учитывая расположение лун в Солнечной системе и окружающую среду, в которой они существуют, существует вероятность существования жизни в этих подземных океанах, что делает их важной областью интереса для ученых-планетологов и астробиологов.

В дополнение к исследованию и характеристике ледяных спутников Юпитера, JUICE исследует сложную среду вокруг Юпитера и изучит систему Юпитера как архетип для других газовых гигантских экзопланет в солнечных системах по всей Вселенной. Кроме того, JUICE будет искать признаки поддерживающих жизнь мест обитания внутри и вокруг ледяных лун и пытаться ответить на вопрос, уникальна ли жизнь для Земли.

В рамках программы ЕКА Cosmic Vision JUICE рассмотрит две ключевые темы программы: «Каковы условия для формирования планет и возникновения жизни?» и «Как работает Солнечная система?» Команды JUICE стремятся ответить на эти вопросы, исследуя обитаемую зону, характеризуя океаны, ледяные оболочки, составы, поверхности, окружающую среду и активность ледяных спутников Юпитера, а также систему Юпитера в целом и влияние Юпитера на окружающую среду.

Одним из самых интенсивных и заметных эффектов, которые Юпитер оказывает на окружающую среду, является его огромная магнитосфера и излучение. Учитывая, что JUICE будет лететь прямо через магнитосферу Юпитера, для выживания JUICE и его инструментов необходима значительная радиационная защита.

Устойчивость к излучению — одно из самых строгих требований к конструкции, с которыми столкнулись ученые при разработке JUICE. Юпитер — самая суровая среда, которую можно найти в этом отношении. Радиация не является чем-то новым в космосе, поскольку стандартные телекоммуникационные спутники также сталкиваются с такой средой, но не в такой степени. Итак, при разработке JUICE ученые обнаружили, что может быть много разных способов спроектировать космический аппарат, который должен быть устойчив к радиации.

Ученые решили использовать стандартные детали, чтобы ограничить стоимость и риск разработки. Но затем, когда вы решите использовать стандартные детали для создания своих электронных компонентов и всего вашего оборудования, вам необходимо эффективно защитить их. И это выбор, который был сделан. Ученые решили защитить все оборудование и части электроники от радиационной среды на Юпитере.

Космический аппарат оснащен двумя радиационно-защитными хранилищами, которые построены вдоль центрального цилиндра. Это замкнутая часть конструкции, внутри которой размещается все чувствительные части электроники. Обычное экранирование, применяемое на этих сводах, выполнено из свинцовой фольги. Итак, ученые наклеили на космический аппарат свинцовую фольгу толщиной в несколько миллиметров, что достаточно для замедления частиц и уменьшения количества энергии, попадающей на чувствительные компоненты электроники внутри этих хранилищ. И это защитит электронику и поможет избежать перепроектирования.

«В целом, у команды есть около 150 кг свинца на JUICE, только свинца, чтобы защитить оборудование от радиации. Хотя все ледяные луны вращаются вокруг Юпитера и восприимчивы к мощной магнитосфере планеты, радиационная среда вокруг лун различается.

Независимо от различий, которые вы можете найти, например, на Европе и Ганимеде ⁠ — радиационная среда на Европе отличается от той, которую вы найдете на Ганимеде, но для всех этих связанных эффектов это не так важно. Вам просто нужно убедиться, что в конце жизни космический аппарат все еще может работать, ваши части электроники все еще живы, и вы все еще можете выполнить свою миссию.

Но есть и другие эффекты, вызванные излучением, которые более мгновенны, например, одиночные события фиксации. События такого типа на Европе будут хуже, чем на Ганимеде. Таким образом, есть способы управления космическим аппаратом или различными компонентами, которые могут быть очень специфичными для того места, где вы находитесь в системе Юпитера, и в частности на Европе. Европа — это место в системе Юпитера, где мы будем ближе всего к Юпитеру и глубже всего внутри радиационных поясов Юпитера, что делает ее самым опасным местом для космического аппарата на протяжении всей миссии. Поэтому для двух облетов над Европой ученые разработали некоторые специальные функции на уровне программного обеспечения и на уровне операций, чтобы убедиться, что аппарат защищен от этих мгновенных эффектов, которые могут быть вызваны средой с высоким уровнем радиации.

Как упоминалось ранее, JUICE будет изучать систему Юпитера в целом и искать конкретные различия в ледяных лунах, чтобы определить, как они образовались и превратились в луны, которые мы знаем сегодня.

С точки зрения формирования планетной системы Юпитер и его лунная система могут рассматриваться как хороший пример того, как формируются планетные системы и их луны. Из предыдущих миссий мы знаем, что на Европе и Ганимеде есть жидкая вода. Под ледяной коркой Европы и Ганимеда есть океаны. Но, вероятно, есть различия в строении этих океанов. Именно это ученые и хотят проверить с помощью миссии.

На Европе считается, что океан расположен прямо поверх скалистой мантии ядра Европы. Это не относится к Ганимеду, где поверх каменистой мантии каменного ядра находится начальный слой льда, затем океан, а затем ледяная корка поверхности Ганимеда. Итак, внутренний состав лун и место, где находятся океаны, и взаимодействия между этим океаном, ядром, и поверхность предположительно различна на Европе и Ганимеде. Это то, что ученые хотят проверить с помощью JUICE. Хотя существование этих подземных океанов еще не подтверждено на 100%, существует множество различных индикаторов, которые ученые использовали для обоснования существования этих океанов. Одним из таких индикаторов является наличие второго магнитного поля вокруг Ганимеда, которое, вероятно, сформировано его подповерхностным океаном.

“Мы знаем, что эти океаны, в частности, океан Ганимеда, имеют магнитную подпись. Они излучают собственное магнитное поле, очень слабое. Это означает, что у Юпитера есть три уровня магнитных полей: поле, создаваемое самим Юпитером, поле, создаваемое Ганимедом (Ганимед — единственная луна в Солнечной системе, которая также имеет собственное магнитное поле); и затем мы полагаем, что океан Ганимеда, который является соленым, также создает магнитное поле. И это то, что мы хотим почувствовать с помощью магнитометров на борту космического аппарата. Для этого нам нужно иметь возможность ощущать поля очень низкого уровня, а это означает, что нам нужно построить очень чистый космический аппарат с электромагнитной точки зрения.

Мы не хотим измерять магнитное поле, создаваемое космическим аппаратом. Мы хотим почувствовать, что производится на Ганимеде и, в частности, у океана Ганимеда. И для этого мы разместили самые чувствительные магнитометры миссии на выдвижной стреле длиной 11 метров. Мы развернем стрелу в первые несколько недель миссии после запуска, чтобы разместить эти очень чувствительные магнитные датчики далеко от космического аппарата, чтобы мы не измеряли поле, создаваемое космическим аппаратом”.

Номинальная научная фаза миссии JUICE начнется примерно за шесть месяцев до того, как космический аппарат войдет в сферу влияния Юпитера. JUICE должен прибыть к Юпитеру в июле 2031 года и совершит облет Ганимеда, а затем выйдет на орбиту вокруг газового гиганта, что произойдет примерно через 7,5 часов после облета Ганимеда. Начальная орбита JUICE вокруг Юпитера будет сильно эксцентричной или вытянутой, а высота орбиты и эксцентриситет со временем уменьшатся.

Первый облет Европы состоится в июле 2032 года, а вскоре после этого начнутся регулярные облеты Ганимеда, Европы и Каллисто. В 2035 году JUICE покинет свою орбиту Юпитера и выйдет на орбиту вокруг Ганимеда, став первым в истории космическим аппаратом, облетевшим спутник, отличный от земного. Во время своего пребывания на орбите вокруг Ганимеда космический аппарат будет использовать свой набор инструментов для изучения Ганимеда с мельчайшими подробностями, создавая целые карты поверхности и внутренней структуры Луны.

После миссии JUICE он будет использовать оставшееся топливо на борту космического аппарата, чтобы уйти с орбиты, и вскоре после этого врежется в Ганимед.

Дорогие друзья! Желаете всегда быть в курсе последних событий во Вселенной? Подпишитесь на рассылку оповещений о новых статьях, нажав на кнопку с колокольчиком в правом нижнем углу экрана ➤ ➤ ➤