JUICE летит к Юпитеру: первая европейская экспедиция к внешним планетам
На днях автоматическая межпланетная станция Европейского космического агентства (ЕКА) для изучения ледяных лун Юпитера JUICE (Jupiter Icy Moons Explorer) совершила первый из трех облетов Земли, которые позволят ей достичь окрестностей планеты-гиганта в 2031 году. О технологических деталях и научной ценности проекта - в нашем материале.
Цель - океаны лун Юпитера
Основная цель JUICE — изучение четырёх крупнейших спутников Юпитера, открытых Галилео Галилеем (Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто), и исследование уникальных магнитных и плазменных взаимодействий Ганимеда и Юпитера. Зонд был запущен 14 апреля 2024 года Европейским космическим агентством с космодрома Куру во Французской Гвиане с помощью ракеты-носителя Ariane 5.
Это первый европейский космический аппарат, предназначенный для изучения спутников Юпитера, и первая экспедиция во внешнюю область Солнечной системы, которую ЕКА подготовила и отправила самостоятельно, без помощи NASA.
Если все пройдет по плану, JUCE станет четвертым зондом, который выйдет на орбиту вокруг планеты-гиганта. Ранее в этих краях работали американские станции Galileo и Juno. В октябре 2024 года будет запущена американская Europa Clipper, которая прибудет к Юпитеру в апреле 2030 года - раньше, чем JUICE, поскольку будет запущена более мощной ракетой Falcon Heavy.
Европейская станция прилетит к цели в в июле 2031 года и до ноября 2034 года совершит 35 облетов Европы, Ганимеда и Каллисто. Зонд должен собрать максимально возможное количество информации о подповерхностных океанах этих лун - прежде всего, попытаться выявить в них признаки присутствия жизни.
В декабре 2034 года JUICE выйдет на орбиту вокруг Ганимеда, где и останется до сентября 2035 года. Он станет изучать систему Юпитера вместе с Europa Clipper.
Самый научно "заряженный" зонд во внешней части Солнечной системы
JUICE построена подразделением Defense and Space концерна Airbus. Из 6,2 т стартовой массы на топливо приходится 3,65 т, Зонд по форме напоминает крупный геостационарный спутник связи размерами 2,86 х 4,09 х 4,35 м в транспортном положении.
Все время полета аппарат будет получать электроэнергию от солнечных панелей размахом 27,1 м. Общая площадь «крыльев», составленных из двух характерных крестообразных решеток (по пять панелей размером 2,5 х 3,5 м с каждой стороны) — около 85 кв. м.
Панели такой большой площади нужны для того, чтобы устойчиво обеспечивать зонд энергией на расстоянии почти 750 млн км от Солнца, где «солнечная электростанция» JUICE сможет обеспечить минимальную электрическую мощность 725 Вт.
Зонд имеет бортовое хранилище данных емкостью 1,25 Тб, и сможет передавать на Землю от 2 до 1,4 Гб данных в сутки с помощью остронаправленной антенны с высоким коэффициентом усиления диаметром 2.5 м.
JUICE несёт на борту десять научных приборов общей массой около 280 кг, что, по мнению некоторых наблюдателей, делает его самым продвинутым космическим аппаратом из когда-либо запущенных во внешнюю часть Солнечной системы.
Помогут Земля и Венера
Первоначально планировалось начать путешествие в период с мая по июнь 2022 года с тем, чтобы достичь Юпитера за семь с половиной лет, в октябре 2029 года, используя три пролета у Земли, один у Венеры и один у Марса.
Однако, миссию пришлось отложить до апреля 2023 года, в основном из-за пандемии ковида. Конфигурация расположения планет за это время изменилась. И теперь для достижения цели потребуется восемь лет.
Для того, чтобы приблизиться к планете-гиганту, зонду необходимо выполнить несколько гравитационных маневров в поле тяготения других планет. Подобные действия подразумевают целенаправленное изменение траектории и скорости полета космического аппарата под влиянием полей тяготения массивных небесных тел, вблизи которых он пролетает. Важно отметить, что в этом случае скорость относительно планеты остается неизменной по модулю, но меняется по направлению. Однако для зонда важна его скорость относительно Солнца, а именно она изменяется во время маневра — либо увеличивается, либо уменьшается.
Задержка запуска вынудила изменить траекторию, исключив облет Марса. Теперь JUICE выполнит еще два (первый состоялся на днях) пролета у Земли и один у Венеры.
Поскольку ракета-носитель, даже такая мощная, как Ariane 5, может запустить к Юпитеру весьма ограниченную массу полезного груза, при проектировании станции приняли решение воспользоваться одной из популярных непрямых трасс перелета.
Первая, называемая «гравитационным маневром у Земли с дополнительным импульсом», подразумевает выход на эллиптическую гелиоцентрическую орбиту с последующим включением двигателя в дальнем космосе вблизи афелия и облетом Земли. В этом случае после выхода на траекторию, ведущую к Юпитеру, станция может перейти на орбиту вокруг планеты или полететь далее, к другим внешним объектам Солнечной системы. Двигательный импульс будет тормозным, чтобы приблизить перигелий орбиты и обеспечить последующий облет Земли. Именно по такой траектории следовал к Юпитеру американский аппарат Juno.
При запуске на другую траекторию зонд выводится на трассу полета к Венере, а затем выполнят гравитационный маневр у Земли. Может показаться странным отправлять станцию к Солнцу, когда цель - выйти за внешние пределы земной орбиты, но гравитация Венеры в сочетании с тяготением Земли как раз и позволит развить достаточно высокие скорости, обеспечивающие выход во внешнюю часть Солнечной системы.
Вот если бы Марс был крупнее, можно было бы значительно расширить возможности маневрирования. Но, к сожалению, масса Красной планеты составляет всего 11% от земной, поэтому Марс как ускоритель обычно используют, лишь отправляясь к комете или астероиду. Так маневрировал европейский зонд Rosetta: направляясь к комете 67P/Чурюмова — Герасименко, он трижды пролетел мимо Земли и один раз над Марсом.
Проблема траектории с пролетами вблизи Венеры и Земли состоит в том, что они не имеют больших энергетических преимуществ по сравнению с гравитационным маневром у Земли с дополнительным импульсом. Кроме того, зонд, направляющийся к внешним планетам, необходимо защитить от тепла при пролете у Венеры. Решением может быть траектория с двойным облетом Земли и одинарным Венеры. Добавление второго пролета вблизи нашей планеты значительно увеличивает количество стартовых «окон», а также облегчает изменение наклонения плоскости движения аппарата, если его целью является астероид или комета.
Можно также добавить больше облетов Венеры, но в целом использование более чем одного пертурбационного маневра у этой планеты не слишком эффективно. Кроме того, как сказано выше, зонд будет перегреваться вблизи перигелия своей траектории. Однако все зависит от баллистического «окна» и жертв, которые разработчики готовы принести ради выполнения миссии. Поэтому, например, зонд Cassini использовал траекторию с двумя пролетами у Венеры, чтобы достичь Сатурна после гравитационного маневра вблизи Юпитера.
Гравитация экономит топливо
Траектории гравитационного маневра у Земли с дополнительным импульсом, а также с использованием тяготения Венеры и Земли были предложены в 1975 году. Впервые их применили при запуске станции Galileo, и то из-за большой нужды: изначально зонд должен был уходить прямо к Юпитеру на криогенном разгонном блоке Centaur G-Prime, выводимом на околоземную орбиту в грузовом отсеке челнока. Но после катастрофы «Челленджера» от кислородно-водородных верхних ступеней в системе Space Shuttle отказались, и зонд пришлось пересадить на гораздо более слабый твердотопливный блок IUS, и направлять станцию по извилистому пути с использованием ряда пертурбационных маневров вблизи Венеры и Земли.
Вариантом этих траекторий является трасса с начальным пролетом над Землей. Ее в конечном итоге выбрали для миссии JUICE, поскольку она позволяет запускать зонд в менее благоприятные баллистические «окна», хотя и за счет увеличения продолжительности миссии. В этом случае первоначальный облет Земли нужен для вывода аппарата на траекторию к Венере, то есть наша планета используется для замедления движения вокруг Солнца.
Такая траектория с четырьмя гравитационными маневрами эквивалентна использованию разгонного блока, залитого 60 (!) тоннами топлива.
Однако из-за параметров орбиты JUICE вокруг Солнца разработчики решили вместо одиночного пролета нашей планеты совершить двойной облет Луны и Земли. Целью первого прохождения мимо Луны было изменение траектории так, чтобы сделать вспомогательный маневр у Земли максимально эффективным. Никогда прежде автоматические станции не выполняли пертурбации такого типа с использованием системы Земля-Луна.
22 июля двигатель зонда включился на 31 секунду для коррекции траектории, и 19 августа 2024 года в JUICE прошел примерно в 750 км от поверхности Луны. Всего через день 20 августа он пролетел на расстоянии 6840 км от Земли. Пролет Луны ускорил зонд относительно Солнца на 0,9 км/с и, самое главное, изменил траекторию так, чтобы пролет у Земли имел правильное положение.
Прохождение мимо Земли замедлило скорость зонда до 4,8 км/с, что позволит космическому аппарату пролететь над Венерой в августе 2025 года. Помощь гравитации изменила угол наклона траектории на 100°.
Логично, что двойной пролет позволил протестировать инструменты зонда, особенно научную камеру и радар. Однако на данный момент ЕКА опубликовало только изображения, снятые инженерными камерами JMC (JUICE Monitoring Cameras), предназначенными для проверки раскрытия солнечных батарей, штанг и антенн. JUICE имеет две такие камеры с разрешением всего 1024 x 1024 пикселя.
В любом случае, JUICE уже завершил свой первый пертурбационный маневр. Следующая «пересадка» — у Венеры.
