ВПЕРЕД ДО НОВИХ ЗІРОК

3.1. Зонд Гюйгенс та його внесок у програму Кассіні

Зонд «Гю́йгенс» (англ. Huygens probe) створений Європейським космічним агентством і названий на честь голландського астронома XVII століття Християна Гюйгенса. Зонд був запущений 15 жовтня 1997 року у зв'язці з космічним апаратом «Кассіні». 25 грудня 2004 зонд відокремився від свого носія і почав самостійний рух до Титану. 14 січня 2005 зонд «Гюйгенс» успішно увійшов в атмосферу Титана і здійснив посадку на його поверхню в області, що отримала назву Ксанаду. Це була перша (і на 2016 рік єдина) в історії м'яка посадка, зроблена в Зовнішній Сонячній системі. Зонд сів на тверду поверхню, хоча посадка в океані була також передбачена його конструкцією.

Всього «Гюйгенс» повинен був виконати п'ять основних завдань[1]:

ü Визначити фізичні характеристики атмосфери Титану (щільність, тиск, температура і т. д.) В залежності від висоти;

ü Виміряти процентне співвідношення складових атмосфери;

ü Дослідити хімічні і, зокрема, фотохімічні процеси в атмосфері, особливо щодо органічних молекул, а також формування і складу аерозолів;

ü Охарактеризувати метеорологію Титана, зокрема, фізику хмар, грозові розряди і загальну циркуляцію;

ü Дослідити фізичний стан, топографію і склад поверхні Титану.

Для здійснення наукових експериментів зонд «Гюйгенс» був оснащений шістьма інструментами:

Ø Інструмент «Гюйгенса» для визначення атмосферної структури (Huygens Atmospheric Structure Instrument, HASI) - вимір фізичних і електричних властивостей атмосфери Титану;

Ø Доплерівський вимірювач швидкості та зносу (Doppler Wind Experiment, DWE) - вивчення напрямку і сили вітрів Титану;

Ø Пристрій для формування зображень при спуску / спектральний радіометр (Descent Imager / Spectral Radiometer, DISR) - відображення спуску і дослідження рівня освітленості;

Ø Газовий хроматограф / мас-спектрометр (Gas Chromatograph / Mass Spectrometer, GC / MS) - ідентифікація та вимірювання хімічного складу атмосфери Титана;

Ø Колектор аерозолів і піролізер (Aerosol Collector and Pyrolyser, ACP) - аналіз атмосферних аерозольних часток;

Ø Пакет для наукового дослідження поверхні (Surface-Science Package, SSP) - визначення властивостей поверхні.

Спуск на парашутах крізь атмосферу Титана зайняв у «Гюйгенса» 2. годин 27 хвилин 50 секунд. Зіткнення апарату з поверхнею Титана відбувалося на швидкості 16 км / год (або 4,4 м / с), при цьому прилади зазнали короткочасного перевантаження, в 15 разів перевищуючого прискорення вільного падіння на Землі. Цей поштовх вивів з ладу один з сенсорів, проте кілька хвилин по тому його функціонування відновилося.

Працездатність зонда перевершила найоптимістичніші очікування. «Кассіні» приймав сигнали «Гюйгенса» на етапі спуску протягом 147 хвилин 13 секунд і з поверхні - ще 72 хвилини 13 секунд до моменту, коли орбітальний апарат зник за горизонт. Після цього сигнали зонди якийсь час приймалися на радіотелескопі в Австралії, хоча і виявилися занадто слабкими, щоб використовувати їх як носія інформації.

Сам «Гюйгенс» не відправляв інформацію безпосередньо на Землю. У його завдання входила передача даних на «Кассіні», який і здійснив подальшу її передачу на Землю, коли сівший на Титан зонд залишився в зоні, невидимій для передачі сигналу. Всього було передано понад 500 мегабайт інформації, в тому числі близько 350 зображень. Всього планувалося передати на Землю 700 фотографій, але через збій в комп'ютерній програмі (імовірно, через помилки при її розробці) половина зображень, переданих «Гюйгенсом», була загублена.

Основні результати

Під час спуску «Гюйгенс» відбирав проби атмосфери. Швидкість вітру при цьому (на висоті від 9 до 16 км) склала приблизно 26 км/год. За допомогою зовнішнього мікрофона вдалося зробити запис звуку цього вітру. Бортові прилади виявили щільний метановий серпанок (яруси хмар) на висоті 18-19 км, де атмосферний тиск становив приблизно 50 кілопаскалей (5,1 × 103 кгс/м²), або 380 міліметрів ртутного стовпа. Зовнішня температура на початку спуску становила -202 ° C, а на поверхні Титану виявилася трохи вище: -179 ° C.

Відповідно до інтерпретації даних із зонду «Гюйгенс», зробленої Тецуо Такано з Кельнського університету, верхня частина хмар складається з метанового льоду, а нижня - з рідких метану та азоту[2].

Знімки, зроблені в ході спуску, показали складний рельєф із слідами дії рідини (руслами річок і різким контрастом між світлими і темними ділянками - «береговою лінією»). Однак темна ділянку, на яку спустився «Гюйгенс», виявилась твердою. На знімках, отриманих з поверхні, видно камені округлої форми розміром до 15 см, що несуть сліди впливу рідини (галька).

Вивчення властивостей ґрунту було здійснено за допомогою пенетрометра. Спочатку ґрунт інтерпретували як тонку кірку порівняно однорідної консистенції на більш м'якій основі ( «крем-брюле»). Пізніше дані пенетрометра були переглянуті: тепер вважається, що при посадці він вдарився об гальку, після чого занурився в ґрунт, загальна консистенція якого відповідає консистенції вологого піску або щільного снігу. Зонд занурився в ґрунт на глибину 10-15 см. При цьому з ґрунту виділявся метан (його викиди були зареєстровані приладами зонда).

Однією з перших несподіванок стало існування на Титані другого, нижнього, шару іоносфери, що лежить між 40 і 140 км (максимум електропровідності на висоті 60 км).

Жовтий метановий серпанок, який так заважає спостерігати поверхню Титана, присутній в атмосфері на всіх висотах, хоча спочатку очікувалося, що нижче 60 км атмосфера буде практично прозорою.

Повною несподіванкою для вчених виявилося те, що на висоті близько 80 км в атмосфері Титана панує практично мертвий штиль - сюди не проникають ні вітри, що дмуть нижче 60 км, ні турбулентні рухи, які спостерігаються вдвічі вище. Причини такого дивного завмирання рухів поки не вдається пояснити. Основу атмосфери Титана, як і на Землі, складає азот. Другий за значимістю газ - метан (CH4) - займає місце, в чомусь подібне водяній парі в земній атмосфері. А в нижніх шарах атмосфери можуть навіть утворюватися метанові хмари[3]

3.2. Шляхи збільшення дальності та тривалості космічних експедицій

Плутонієвий елемент живлення дуже ефективний. Мінімальний розмір та маса при величезній енергоємності. Проте за двадцятилітній політ навіть незначні сонячні батареї могли б суттєво  продовжити термін життя Кассіні.

Слід розуміти, що електроенергія на космічних кораблях використовується для живлення всіх інструментів фото- та телеметрії, радіоантен та комп’ютерів, що опрацьовують вхідні сигнали та дають команди всім дослідницьким інструментам.

Ми пропонуємо використовувати сонячні батареї, як додатковий елемент живлення космічного апарату. Додатковий, тому що ми провели розрахунки і встановили, що для повної заміни плутонієвого елемента живлення з врахуванням віддаленості від Сонця, а тому зменшенням ефективності сонячних батарей, їхня площа становитиме 70 м². Це надзвичайно багато. При ширині 2 м розмах «крил» нашого космічного корабля становитиме 35 м. Це суттєво збільшує ймовірність виходу з ладу частини або й усіх сонячних батарей. Частинка з кілець Сатурна розміром 5 мм² не завдасть суттєвої шкоди корпусу корабля, проте батареї можуть постраждати.

Для зменшення ризиків слід кожен раз, із 296-ти обертів КА навколо Сатурна, згортати сонячні батареї при наближенні до зон ризику, якими є кільця Сатурна, а при віддаленні знову розкривати. Проте така методика не дуже ефективна, адже сам процес згортання-розгортання є енергоємкісним. Незважаючи на відсутність опору атмосфери робота додатна, а тому енергозатратна.

Саме тому ми пропонуємо незначні Сонячні батареї, розміром 1,5м на 12 м. Тобто по 6 метрів довжини в кожному напрямку, якщо їх два. Або по 3 метри довжини, якщо напрямків буде чотири.

Легко порахувати, що якщо батарей розміром 70 м² вистачило б для забезпечення електроенергією нашого КА на 20 років, то

1,5×12=18м²,

20 років × 18м² / 70м² = 5,14 р.

Тобто додаткових 5 років існування місії. А врахувавши наявний на борту плутонієвий елемент живлення, який нам дає тих самих 20 років, разом матимемо 26,5 років.

Проте, незважаючи на приріст тривалості життя космічної експедиції, актуальним лишається питання про потребу такої тривалості. Що могли відкрити, те вже відкрили за 20 років. Навіщо 26,5 р.? Прочитавши історію відкриттів здійснених Кассіні-Гюйгенсом, розумієш, що максимально ефективними були перші 10 років. З яких лише 3 роки він провів на орбіті Сатурну, а решту часу, по суті, був у дорозі. Порівняння досягнень перших 10 років і всіх 20 років є у додатках 3 та 4. Звичайно з кожним роком ефективність космічного дослідження того ж об’єкта знижується. Проте не можна кинути справу на етапі 90%, незважаючи, що решта 10% потребують стільки ж часу. Вчені з космічних агентств назвуть вам десятки моментів, які ще міг би дослідити Кассіні-Гюйгенс.

Хочемо звернути увагу, що космічна експедиція до Сатурну вже відбулася, тому поради збільшення тривалості функціонування космічних апаратів стосуються вже нових місій. А вони скоріш всього будуть до ще віддаленіших планет, таких як Уран та Нептун. Переліт до цих газових гігантів буде в рази довшим, тому можливість забезпечити живлення всієї апаратури на довший проміжок часу є дуже актуальним.

Провівши незначні розрахунки, а саме врахувавши відстань від Сонця до цих планет, що стає причиною зменшення освітленості в десятки разів, можна зробити висновок про недоцільність використання сонячних батарей на орбітах цих планет. Врахувавши масу фото-панелей, значно вигідніше встановити два плутонієві елементи живлення.

3.3. Куди далі спрямувати політ?

Юпітер і Сатурн можна вважати умовно дослідженими. Адже вчені приділили їм частинку своєї уваги спрямувавши до них космічні апарати. Ще більше уваги отримав Марс, в силу своєї близькості до Землі.

Яку ж планету далі обрати для дослідження, щоб отримати якомога більше нової інформації? Якщо переглянути першовідкривачів супутників у планет гігантів Юпітера та Сатурна, то все ж таки більшість знаходяться на Землі. Тобто сучасні наземні телескопи в змозі виявити майже всі 69 супутників Юпітера та 62 супутників Сатурна. Можна сказати, що лише 10% супутників Сатурна були першовідкриті КА Кассіні-Гюйгенс. В той же час у газових гігантів Уран та Нептун сьогодні лише 27 та 14 відомих супутників відповідно. Очевидно, що цю цифру можна було б збільшити вдвічі відправивши до цих планет космічні експедиції. Сонячне світло значно менше освітлює ці віддалені планети, та й відстань від Землі значно більша. Тому і результати настільки суттєво відмінні. Для зразку порівняємо пару Юпітер та  Уран

1.     Відношення відстаней до Сонця для Урану та Юпітера:

2900 млн.км / 780 млн. км = 3,7

2.     Відношення освітленості поверхні:

3,7²=13,82 – у стільки разів освітленість орбіти Урану менша від освітленості Юпітера.

3.     Відношення мінімальних відстаней від Землі до Урану та Юпітера:

(2900 – 150) млн.км. / (780 – 150) млн. км = 2 750 млн. км. / 630 млн.км. = 4,37 – у стільки разів Уран далі від Землі ніж Юпітер у протистоянні.

4.     Відношення видимості цих планет із Землі:

4,37²=19,09 – у стільки разів менше відбитого світла повертається на Землю від орбіт Урана ніж від Юпітера.

Звичайно відбите світло залежить також від оптичних характеристик самої поверхні. Але вважаємо, що ми розмістили один і той самий невідомий супутник просто поблизу різних планет.

5.     Отже, відношення видимості із Землі об’єкта який обертається навколо Юпітера до видимості цього ж об’єкта поблизу Урана становить:

13,82*19,09=263,4 – у стільки разів складніше виявити супутник Урана ніж аналогічний супутник Юпітера.

Не набагато краще виглядає ситуація для планет Сатурн та Нептун.

1.     4500 млн.км. / 1400 млн.км. = 3,2.

2.     3,2² = 10,33 – у стільки разів освітленість орбіти Нептуна менша від освітленості орбіти Сатурна.

3.     (4500 – 150) / (1400 – 150) = 4350 / 1250 = 3,48

4.     3,48² = 12,11

5.     10,33*12,11 = 125,1 – у стільки разів складніше виявити супутник Нептуна ніж аналогічний супутник Сатурна.

Результат наших обчислень очевидний. Наступна ціль – проліт повз Уран до Нептуна. Аналогічно до програми Кассіні-Гюйгенс було б зручно використати космічний апарат із зондом, якого буде скинуто в атмосферу Урану, в той час як сам КА продовжить політ до Нептуна.