НАСА и SpaceX запускает историческую миссию Europa Clipper к Юпитеру⁠⁠

Автор Хейген Уоррен 14 октября 2024 г.
Первоисточник

НАСА и SpaceX запустили миссию NASA Europa Clipper к ледяной луне Юпитера Европе на ракете SpaceX Falcon Heavy. Falcon Heavy стартовал во время мгновенного окна запуска в понедельник, 14 октября, в 12:05 по восточному времени (16:05 UTC) со стартового комплекса 39A (LC-39A) в Космическом центре Кеннеди на мысе Канаверал, Флорида. Если-бы попытка не удалась, была доступна возможность резервного запуска во вторник, 15 октября, а также в течение всего октября, но в этом нет необходимости.

Europa Clipper, пожалуй, самая важная миссия по изучению планет, стартовавшая в этом десятилетии. Одна из крупных стратегических научных миссий НАСА (также известная как флагманская миссия), Europa Clipper, станет крупнейшей планетарной научной миссией, когда-либо разработанной НАСА, и первой миссией для проведения углубленного исследования Европы и ее потенциальной обитаемости.

История Europa Clipper

Планетологи и космические агентства давно мечтали и планировали миссию на Европу. В 1950-х годах учёные впервые обнаружили на Европе признаки наличия водяного льда, а последующие миссии на Юпитер, такие как «Галилео», «Кассини-Гюйгенс» и «Юнона», позволили больше узнать о водной природе планеты. Кульминацией стало открытие подповерхностного океана под ледяной поверхностью спутника.

Однако, несмотря на то, что у учёных есть убедительные доказательства существования подповерхностного океана, в первую очередь благодаря наличию поверхностных шлейфов водяного пара, существование океана не было подтверждено напрямую. Учитывая расположение Европы в Солнечной системе и вероятность того, что в подповерхностном океане содержатся элементы, необходимые для существования жизни, необходимость в миссии на Европу значительно возросла в 2000-х и 2010-х годах.

Миссия по исследованию Европы с помощью орбитального аппарата была впервые предложена НАСА в 1997 году в рамках программы «Дискавери». Хотя эта миссия в итоге не была выбрана, Лаборатория реактивного движения НАСА (JPL) позже объявила, что в будущем агентство проведёт миссию по исследованию Европы с помощью орбитального аппарата.

Примерно в то же время, когда было выдвинуто это первое предложение о миссии, космический аппарат «Галилео» НАСА находился на орбите Юпитера и регулярно пролетал мимо Европы во время своей основной миссии и расширенной миссии, известной как «Галилео — Европа» (GEM). Обширные исследования «Галилео» Европы и других ледяных спутников Юпитера позволили учёным сделать множество открытий, касающихся ледяных спутников и Европы, особенно в отношении возможности существования на Европе внеземной микробной жизни. После миссии «Галилео» НАСА и Лаборатория реактивного движения начали проводить предварительные исследования для будущих миссий на Европу.

В результате этих предварительных исследований было предложено несколько миссий. Первой из них была миссия «Орбитальный аппарат для исследования ледяных спутников Юпитера» (JIMO), запуск которой был запланирован на 2015 год. Предполагалось, что он будет исследовать Европу и другие ледяные спутники Юпитера — Каллисто и Ганимед. В 2005 году миссия JIMO была отменена, так как НАСА сместило приоритеты в сторону пилотируемых космических полётов и лишилось финансирования. После JIMO НАСА присоединилось к Европейскому космическому агентству (ЕКА) в разработке миссии «Система Юпитера — Европа — Лаплас» (EJSM-Laplace), которая также была в конечном итоге отменена в 2011 году из-за проблем с бюджетом со стороны НАСА. ЕКА продолжило разработку миссии EJSM-Laplace без участия НАСА, что в конечном итоге привело к запуску миссии «Исследование ледяных спутников Юпитера» (JUICE) в апреле 2023 года.

Несмотря на то, что проект EJSM-Laplace был отменён, а ЕКА продолжило разработку миссии «Европа», у НАСА всё ещё были планы по созданию орбитального аппарата «Европа» и использованию инфраструктуры EJSM-Laplace для создания орбитального аппарата «Юпитер-Европа» (JEO). Изначально запуск JEO был запланирован на 2020 год, и он должен был исследовать Европу и Ио. Однако во время разработки JEO бюджет НАСА снова претерпел изменения, и миссия была переформулирована в «Миссию многократного облёта Европы», которая позже была переименована в «Клипер Европы».

Желание запустить Europa Clipper еще больше усилилось, когда Национальный исследовательский совет рекомендовал миссию к Европе в 2013 году. Было решено, что миссия будет совместной Лабораторией прикладной физики Университета Джона Хопкинса (APL) и JPL.

В марте 2013 года миссии было выделено 75 миллионов долларов на формирование команд, планирование деятельности, постановку целей и разработку приборов (что было рекомендовано в 2011 году в рамках Десятилетнего обзора планетарных наук). Финансирование миссии было значительно увеличено в мае 2014 года, когда законопроект Палаты представителей увеличил бюджет миссии на 2014 финансовый год с 15 миллионов долларов до 100 миллионов долларов, которые также должны были быть использованы для разработки миссии. Более того, миссии было выделено ещё 30 миллионов долларов на проведение предварительных исследований, а после выборов в США в 2014 году была обещана дополнительная двухпартийная поддержка миссии.

НАСА выбрало девять приборов, которые полетят с Europa Clipper в мае 2015 года. В бюджете на следующие три года было заложено около 110 миллионов долларов на инструменты. НАСА официально одобрило концепцию Europa Clipper в июне 2015 года, официально переведя миссию на стадию разработки. В феврале 2017 года Europa Clipper перешла от фазы A к фазе B, также известной как фаза предварительного проектирования. В июле 2017 года Космический подкомитет Палаты представителей провел слушания относительно планирования Europa Clipper в качестве одной из крупных стратегических научных миссий НАСА, которые были одобрены. Этап В продлится до августа 2019 года, когда миссия перейдет к этапу С — окончательному проектированию и изготовлению.

С 2019 по 2022 год проект миссии был доработан, и началось строительство первых компонентов космического аппарата. В марте 2022 года Europa Clipper перешла к этапу D — сборке, тестированию и запуску, а 7 июня 2022 года было завершено строительство основного корпуса космического аппарата. 30 января 2024 года все девять научных приборов Europa Clipper были интегрированы в космический аппарат, а через несколько месяцев к нему были добавлены некоторые антенны и солнечные батареи.

К марту 2024 года космический аппарат успешно выполнил все основные задачи по тестированию и был подготовлен к отправке в Космический центр Кеннеди. В мае 2024 года космический аппарат прибыл во Флориду, а в сентябре 2024 года была завершена последняя проверка перед запуском.

Изначально запуск Europa Clipper был запланирован на 10 октября 2024 года. Однако из-за приближения урагана «Милтон» и его выхода на западное побережье Флориды запуск миссии был отложен на неопределённый срок до тех пор, пока шторм не прошёл через Космический центр Кеннеди и центр не был признан безопасным. Центр был вновь открыт в выходные 11 октября, и была объявлена новая дата запуска — 14 октября. Во время шторма космический корабль был надежно спрятан в безопасном месте.

Космический аппарат Europa Clipper и миссия

Миссия Europa Clipper, стоимость которой сейчас оценивается в 2 миллиарда долларов, предназначена для изучения недр и океана Европы, её геологии, химии и потенциальной пригодности для жизни. Как уже упоминалось, космический аппарат будет оснащён набором из девяти научных инструментов, которые позволят проводить исследования в рамках миссии. Инструменты «Европы Клиппер» можно разделить на четыре основные группы: камеры, приборы для изучения плазмы и магнитного поля, радары и гравитационные приборы, а также приборы для химического анализа.

Двумя основными устройствами визуализации Europa Clipper являются Europa Imaging System (EIS) и Europa Thermal Emission Imaging System (E-THEMIS). EIS оснащен широкоугольной и узкоугольной камерами, обе из которых оснащены восьмимегапиксельными сенсорами, которые будут создавать цветные и стереоскопические изображения геологической активности Европы, высот поверхности и многого другого в высоком разрешении. E-THEMIS будет использовать инфракрасный свет, чтобы определить, где на поверхности Европы может находиться теплая жидкая вода, что может указывать на места, где когда-то извергались водяные столбы. E-THEMIS также определит мелкомасштабные свойства поверхности Европы, проведя углубленные наблюдения за текстурой поверхности Европы.

На борту «Европы Клиппер» будут установлены два прибора для проведения спектрометрических исследований на «Европе». Ультрафиолетовый спектрограф «Европы» (Europa-UVS) оснащён телескопом, который собирает ультрафиолетовый свет и создаёт изображения, которые спектрограф космического аппарата использует для определения состава атмосферных газов и поверхностных материалов «Европы», а также для поиска шлейфов вокруг «Европы». Спектрометр для картографирования изображений на Европе (MISE) — это инфракрасный спектрометр, который, как ожидается, позволит составить карту распределения льда, соли, органических веществ, горячих точек и многого другого на поверхности Европы. Это позволит учёным определить геологическую историю Европы и её пригодность для жизни.

Магнитометр «Европа Клиппер» (ECM) и прибор для измерения магнитного поля (PIMS) будут проводить измерения плазмы и магнитного поля в рамках миссии. ECM — это магнитометр, который будет исследовать наличие, глубину и солёность подповерхностного океана Европы, а также измерять толщину и характеристики ледяной оболочки поверхности спутника. ECM также будет изучать тонкую ионизированную атмосферу спутника и то, как она взаимодействует с ионизированной атмосферой Юпитера. PIMS и его чашки Фарадея позволят различить искажения магнитных полей вблизи Европы, вызванные ионосферой спутника и плазмой, удерживаемой в магнитосфере Юпитера. Интересно, что эти искажения могут нести информацию об океане Европы.

С помощью радарных и гравитационных измерений могут быть раскрыты подробности, касающиеся внутреннего устройства Европы и других свойств. Europa Clipper выполнит различные гравитационные и радиолокационные измерения, используя свой набор антенн и эффект Доплера. Кроме того, прибор Radar for Europa Assessment and Sounding: Ocean to Near-surface (REASON), проникающий сквозь лед радар, будет исследовать структуру и толщину ледяной оболочки Европы, а также высоту поверхности Луны, состав, шероховатость и атмосферу.

Оставшиеся приборы будут проводить химический анализ на Европе. Масс-спектрометр для исследования планет/Европы (MASPEX) — это масс-спектрометр, который будет анализировать атмосферу Европы на наличие различных газов и потенциальных шлейфов, химический состав подповерхностного океана, обмен материалами между океаном и поверхностью, а также то, как радиация может влиять на различные соединения на ледяной поверхности спутника. Анализатор поверхностной пыли (SUDA) будет определять и анализировать поверхностные материалы, выброшенные с поверхности Европы в результате падения метеоритов. Эта «пыль» может дать учёным представление о солёности подповерхностного океана Луны.

Эти девять приборов позволят «Клипперу» достичь целей своей смелой миссии, которые, по словам НАСА, заключаются в том, чтобы «определить толщину ледяной оболочки Европы и то, как океан взаимодействует с поверхностью», «исследовать состав Европы» и «охарактеризовать геологию Европы». Эти девять приборов, а также другие важные электронные компоненты будут защищены от интенсивного излучения, окружающего Юпитер, 150-килограммовым титаново-алюминиевым экраном. В общей сложности все девять приборов весят около 82 кг.

В октябре 2014 года было объявлено, что Europa Clipper будет использовать солнечные батареи в качестве основного источника энергии во время полета на Европу. Это решение было принято после долгих обсуждений относительно источника питания космического корабля. В дополнение к фотоэлектрическим источникам энергии (солнечным панелям) также рассматривались источники питания радиоизотопных термоэлектрических генераторов (RTG). Миссия НАСА Juno доказала, что солнечные панели являются жизнеспособным источником энергии для миссий к Юпитеру, и в сочетании с тем фактом, что солнечные панели значительно дешевле и менее сложны, чем RTG, солнечные панели в конечном итоге стали предпочтительным выбором для питания Europa Clipper. Кроме того, хотя солнечные панели весят больше RTG, прогнозируемая масса Europa Clipper все еще находилась в установленных пределах.

Europa Clipper будет оснащена двумя наборами солнечных панелей. Каждая панель будет иметь 14,2 м в длину и 4,1 м в высоту. После полного развертывания после запуска общая длина Europa Clipper увеличится более чем до 30,5 м или примерно размера баскетбольной площадки.

Двигательная установка космического корабля будет иметь три метра в высоту и 1,5 м в диаметре, что составляет около двух третей основного корпуса космического корабля. Построенная Центром космических полетов имени Годдарда НАСА в Мэриленде и принадлежащая APL Джона Хопкинса, двигательная установка будет нести около 2700 кг топлива, которое будет состоять из монометилгидразина и четырехокиси азота, из которых от 50 до 60 процентов будет использовано для выведения космического аппарата на орбиту Юпитера, которая продлится около шести-восьми часов. В общей сложности силовая установка оснащена 24 двигателями мощностью 27,5 Н тяги.

Учитывая расположение Европы в пределах жестких радиационных поясов Юпитера, окружающая среда Европа невероятно суровая, а это означает, что даже хорошо защищенный космический корабль, на низкой орбите Европы, реально продержится всего несколько месяцев. Из-за этого планировщики миссии Europa Clipper предпочли увеличить время полета и вместо этого заставят космический аппарат совершить почти 50 облетов Луны по высокоэллиптической орбите, во время которых космический аппарат будет собирать данные. После полетов у космического аппарата будет от семи до 10 дней для передачи данных на Землю. Хотя такой подход, по-видимому, ограничивает общий объем данных, которые могут быть собраны и переданы космическим аппаратом, на самом деле такой подход позволит миссии получить почти в три раза больше данных, чем аппарат на низкой орбите, при этом снижая воздействие радиации на космический аппарат и сохраняя его общую работоспособность.

В ходе своей 3,5-летней миссии космический аппарат совершит облет Европы, Каллисто и Ганимеда, чтобы изменить свою орбиту вокруг Юпитера, что, в свою очередь, изменит траектории облета космическим аппаратом Европы. Это означает, что ни один из полетов космического корабля не будет одинаковым, и в конечном итоге позволит Europa Clipper нанести на карту почти всю поверхность Европы. Более того, каждый пролет будет сильно различаться по высоте: некоторые пролеты будут проходить в пределах 50 км от поверхности Европы, в то время как другие будут находиться на расстоянии до 2500 км от поверхности.

Однако, прежде чем Europa Clipper прибудет к Юпитеру и начнет выполнять новаторские научные работы, космический аппарат должен путешествовать по Солнечной системе в течение нескольких лет. В общей сложности путешествие Europa Clipper к Юпитеру займет 5,5 лет и преодолеет 2,9 миллиарда километров, в течение которых космический аппарат совершит два облета Марса и Земли с помощью гравитационного маневра в феврале 2025 года и декабре 2026 года, соответственно. Каждый гравитационный маневр позволит Europa Clipper изменять свою траекторию вокруг Солнца, при этом окончательный облет Земли и последующие небольшие маневры по коррекции курса приведут траекторию космического корабля к Юпитеру. Планируется, что Europa Clipper прибудет на планету в апреле 2030 года, после чего он совершит торможение, чтобы войти в сферу влияния Юпитера.

Запуск Europa Clipper

Планируется, что Europa Clipper полетит на ракете SpaceX Falcon Heavy с космодрома LC-39A во Флориде. Однако изначально не ожидалось, что Europa Clipper будет летать на Falcon Heavy, а вместо этого планировался запуск на сверхтяжелой ракете NASA Space Launch System (SLS) после того, как Конгресс США разрешил космическому аппарату использовать ракету для запуска.

Однако в 2021 году НАСА потребовало разрешить запуск космического корабля другим ракетам-носителям после того, как агентство предсказало, что оно не сможет предоставить ракету-носитель SLS вовремя к запланированному на 2024 год запуску космического корабля. Таким образом, сводный законопроект Конгресса о расходах на 2021 год предписал провести полное и открытое расследование для выбора коммерческой ракеты-носителя для Europa Clipper, если SLS не будет готова к запуску космического корабля в 2024 году. В январе 2021 года управление программы планетарных миссий НАСА направило команду миссии Europa Clipper «немедленно прекратить усилия по поддержанию совместимости SLS».

В июле 2021 года НАСА объявило, что для запуска «Клипера Европы» была выбрана ракета-носитель Falcon Heavy компании SpaceX. В качестве основных причин выбора Falcon Heavy были названы стоимость запуска, доступность SLS и тряска/вибрация во время запуска. Хотя переход с SLS на Falcon Heavy означал увеличение общего срока выполнения миссии и этапа подготовки к запуску более чем на 2,5 года, этот шаг также позволил командам сэкономить около 2 миллиардов долларов только на стоимости запуска. Более того, перепроектирование Europa Clipper для работы в условиях сильных вибраций, создаваемых твердотопливными ракетными ускорителями SLS, обошлось бы примерно в 1 миллиард долларов.

Таким образом, Falcon Heavy была выбрана в качестве ракеты-носителя для Europa Clipper, и после прибытия космического аппарата во Флориду и финальных испытаний Europa Clipper был установлен на ракету Falcon Heavy в начале октября. 13 октября NASA и SpaceX завершили проверку готовности к запуску (LRR) и дали добро на запуск.

Запуск «Клипера Европы» станет 11-й миссией Falcon Heavy за всё время и второй в 2024 году. Для SpaceX этот запуск станет 396-м в общей сложности и 96-м в 2024 году, а также 185-й попыткой орбитального запуска в мире в 2024 году.

Falcon Heavy имеет высоту 70 м и массу около 1,4 млн кг при старте. В трёхступенчатой конструкции нижняя часть ракеты на две трети состоит из трёх многоразовых ускорителей Falcon, двух боковых ускорителей и центрального ускорителя. Для «Клипера Европы» двумя боковыми ускорителями будут B1064-5 и B1065-5 — оба они совершают свой шестой полёт и ранее запускали миссию NASA «Психея» в 2023 году, а B1089-1 будет центральным ускорителем и совершит свой первый полёт. Из-за характера миссии «Клипера Европы» и пункта назначения все три ускорителя Falcon будут израсходованы и не приземлятся ни в одной из посадочных зон SpaceX, ни на автономных беспилотных кораблях в море. В каждом ускорителе Falcon используется девять двигателей Merlin 1D (всего 27), которые в совокупности создают тягу примерно в 22 000 килоньютонов. В верхней ступени Falcon Heavy будет использоваться один вакуумный двигатель Merlin 1D, который создаёт тягу примерно в 934 килоньютона.

Сразу после развёртывания команды Europa Clipper начнут проверять работоспособность космического аппарата после запуска и работать над установлением первоначальной связи с космическим аппаратом. Кроме того, вскоре после развёртывания необходимо будет развернуть массивные солнечные батареи Europa Clipper, чтобы у космического аппарата было достаточно энергии для выполнения первоначальных задач.

«Европа Клиппер» — одна из самых ожидаемых миссий XXI века, которая может подтвердить обитаемость другого мира в нашей Солнечной системе. Несмотря на то, что его неоднократно посещали и исследовали сотни — а может быть, даже тысячи — раз, многое о Европе и ледяных спутниках до сих пор остаётся неизвестным. «Европа Клиппер» вместе с JUICE, «Юноной» и другими последующими миссиями на ледяную планету предоставит учёным возможность детально изучить новый тип планеты, которая однажды может стать центром развития технологий и науки, поскольку люди продолжают осваивать нашу Солнечную систему и Вселенную.