К гелиосфере на ядерном реакторе: Китай готовит миссию к границам Солнечной системы
В Китае уже более пяти лет разрабатывают проект запуска космических аппаратов к краю гелиосферы. Специалисты Тяньдунской Лаборатории исследования дальнего космоса и других учреждений представили доклад о миссии, состоящей из двух зондов: один отправится к хвосту гелиосферы, другой — к ударному фронту. Эксперт Pro Космоса Игорь Афанасьев разобрался в планах Китая.
Что такое гелиосфера
Гелиосфера — это область пространства вокруг Солнца, в которой солнечный ветер — поток ионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий в окружающее космическое пространство из солнечной короны, — доминирует над межзвездным ветром. Последний представляет собой поток нейтральных атомов, проникающих в Солнечную систему из межзвездного пространства.
По форме в первом приближении гелиосфера напоминает вытянутую каплю, как и магнитосфера Земли. Однако реальная конфигурация гелиосферы, меняющаяся под влиянием различных факторов, может быть гораздо сложнее.
Магнитное поле Земли: как оно защищает нас от космического излучения
У Вэйжэнь, Тан Юйхуа, Су Цзюньчэнь, Сон Юци, Чэнь Сяо, Чжан Тяньчжу, Чэнь Цзяньюэ, Хань Чэнчжи и Ян Чжунвэй, авторы доклада «Проектирование и ключевые технологии для миссии по исследованию окраин Солнечной системы», выделяют три наиболее перспективные зоны для изучения: «нос» гелиосферы, обращенный к центру Млечного Пути; «хвост» гелиосферы, самый дальний ее край, а также полярные области, перпендикулярные плоскости эклиптики.
Зачем изучать гелиосферу
Исследование ударной волны на кончике «носа» гелиосферы, а также гелиосферной оболочки, полосы нейтральных атомов, головной части ударной волны и «стенки нейтрального водорода» позволит определить характеристики границы гелиосферы и межзвездного пространства. Изучение этих зон поможет понять динамику солнечного ветра и его взаимодействие с межзвездной средой, а также распределение небесных тел в системе Юпитера и за пределами Солнечной системы. Это, в свою очередь, даст ключ к пониманию эволюции нашей планетной системы.
В рамках направления полета к «хвосту» гелиосферы планируется изучение ударной волны в самой дальней зоне влияния Солнца, до сих пор неизвестной области, где гравитационный конус звезды фокусирует межзвездное вещество. Полученные данные помогут лучше понять структуру и динамику «хвоста» гелиосферы.
Как китайские зонды будут исследовать гелиосферу
Зонды полетят к полярным областям гелиосферы перпендикулярно плоскости эклиптики. Это даст возможность изучить Солнце на высоких широтах, охарактеризовать межзвездное вещество и исследовать глобальную циркуляцию космических лучей в гелиосфере, а также взаимодействие внешнего космического вещества с ней.
Во время полетов к носовой и хвостовой частям гелиосферы аппараты будут находиться вблизи плоскости эклиптики. Это обеспечит наблюдение за астероидами, объектами типа «кентавров», телами пояса Койпера и кометами. Такой подход увеличит научную ценность миссии и расширит ее экономические перспективы.
Научные исследования носовой и хвостовой частей гелиосферы проведут в рамках двух миссий. Затем продолжат изучение других небесных объектов по маршруту.
Научные цели проекта КНР по изучению гелиосферы
Миссии, нацеленные на изучение областей на границе Солнечной системы, с акцентом на гелиосферную физику и планетарную/астрофизику, решают четыре ключевые задачи:
Исследование неизведанных территорий — анализ характеристик ключевых областей на границе Солнечной системы и межзвездного пространства. Впервые будут изучены зоны «ничейной земли», включая полосу пространства на передней кромке ударной волны, «область четырехлистного клевера» в хвосте и гравитационный фокусирующий конус. Будут исследованы нейтральная водородная стенка, межзвездное магнитное поле и пылевые облака.
Всесторонний обзор гелиосферы — изучение общей формы и структуры, динамики солнечного ветра и его взаимодействия с межзвездной средой. В рамках миссии впервые исследуется общая форма гелиосферы и ее динамическая эволюция в различных межзвездных условиях. Особое внимание уделяется анализу глобальной неоднородности ударной волны в хвосте, области оболочки и верхней струи. Будут изучены эволюция солнечных бурь, сверхтепловые ионы, турбулентность, механизмы захвата солнечного ветра и происхождение космических лучей.
Изучение основных планет — анализ характеристик планетных систем и условий космической погоды.
Археология Солнечной системы — исследование динамики атмосферы, свойств материалов и орбитальных параметров гигантской планеты (Юпитера) и его спутников. Будут изучены планетарная космическая погода Юпитера и его спутников, включая взаимодействие магнитосферы и солнечного ветра, а также взаимодействие спутников и магнитосферы.
Дополнительно планируется исследование происхождения и эволюции малых тел, анализ внегалактического фонового излучения, поиск возможных областей существования девятой планеты, проведение космических астрономических экспериментов для обнаружения фотонов высокой энергии, изучения их энергетического спектра и источников. Будут отслеживаться высокоэнергетические явления, такие как гравитационные волны, темная материя и нейтрино, а также проведены эксперименты в рамках теории относительности.
Особенности траектории полета китайских зондов к гелиосфере
Для углубленного исследования морфологии гелиосферы запланирован запуск двух зондов. Один из них отправится к передней кромке гелиосферы (к «носу»), а другой — к ее задней кромке (к «хвосту»), которая до сих пор не была изучена.
Каждый из этих аппаратов весит не более 8,2 тонны, что позволяет выводить их на орбиту с помощью ракеты-носителя «Чанчжэн-5». Это будет вторая миссия, запущенная с использованием двух таких ракет после успешной доставки образцов с Марса миссией «Тяньвэнь-3».
Зонд, предназначенный для исследования хвостовой части гелиосферы, планируется запустить в апреле 2032 года. После облета Юпитера он достигнет своей цели в 2059 году, преодолев путь в 130 астрономических единиц (19,5 миллиарда километров). Второй зонд, который полетит к передней границе гелиосферы, будет запущен позже, в ноябре 2033 года, и достигнет гелиопаузы в 2053 году, преодолев 70 астрономических единиц.
Астрономическая единица: что это такое и чему она равна
Реализация планов требует выполнить в ходе полета два гравитационных манёвра: первый — с использованием поля тяготения Земли, второй — в поле Юпитера. Для сравнения, «Вояджер-1», который уже покинул пределы Солнечной системы, находится на расстоянии 25,5 миллиардов километров от Земли (171 астрономическая единица) и удаляется от Солнца со скоростью примерно 17 км/с.
Ядерные реакторы вместо РИТЭГов: отличие китайских зондов от Pioneer, Voyager и New Horizons
Китайские зонды имеют ключевое отличие от аппаратов, которые ранее запускались к границам Солнечной системы, таким как Pioneer 10 и 11, Voyager 1 и 2 и New Horizons. В отличие от американских, китайские зонды будут оснащены не радиоизотопными термоэлектрогенераторами (РИТЭГ), а ядерными реакторами деления выходной электрической мощностью 1 кВт, что обеспечит их бесперебойную работу на протяжении более 30 лет.
Разведчик внешних планет: история зонда Pioneer-11, где он сейчас
В качестве топлива для ядерных реакторов будет использоваться сплав урана и молибдена, а для охлаждения — натрий. Производство электроэнергии будет осуществляться через термоэлектрическое преобразование с использованием термопар «кремний — германий», «теллурид свинца», или «теллур, серебро, германий, сурьма», как в американских РИТЭГах. Считается, что машинные методы (с турбогенераторами или двигателями Стирлинга) более эффективны, но не гарантируют бесперебойную работу на протяжении трех десятилетий.
Каждый зонд будет иметь двигательную установку для достижения максимальной гиперболической скорости убегания. Конструкция космического аппарата предполагает, что реактор будет прикреплен к основному корпусу зонда на телескопической штанге для компактного размещения внутри головного обтекателя ракеты-носителя. После выхода в космос штанга будет раздвигаться, чтобы увести реактор на некоторое расстояние от бортовой радиоэлектроники и минимизировать воздействие радиации на системы и приборы.
Важно отметить, что в отличие от плутониевых РИТЭГов, ядерные реакторы будут запускаться в выключенном состоянии и включатся только на траектории движения к цели. Это предотвращает выброс радиоактивных материалов в атмосферу в случае аварии во время запуска.
Сроки полета китайских зондов к границам гелиосферы
Баллистические «окна» для запуска двух китайских зондов будет определять положение Юпитера относительно переднего («носа») и заднего («хвоста») края гелиосферы. Гигантская планета, в гравитационном поле которой предполагается выполнять пертурбационные маневры, должна находиться в благоприятной позиции для достижения целей миссии.
Первый зонд, который полетит к «носу» гелиосферы, должен прибыть к Юпитеру в период с 2032 по 2035 годы. Второй зонд, который полетит к «хвосту» гелиосферы — к гелиопаузе — достигнет Юпитера в 2039–2041 годах. Для этого ему потребуется более длинный маршрут с дополнительным пролётом мимо Земли. Если миссия затянется, зонд к гелиопаузе может использовать пролёты мимо Нептуна, а тот, что к Юпитеру, — мимо Сатурна или Урана.
Каждый из зондов будет оснащен одиннадцатью научными приборами. Они будут изучать частицы и электромагнитные поля с помощью магнитометра, детектора ионов, нейтральных атомов, пыли и плазменного прибора. Также на борту будут съемочная камера, инфракрасный и ультрафиолетовый спектрометры.
Интересно сравнить траектории этих китайских зондов с маршрутами пяти аппаратов NASA, которые уже покинули Солнечную систему.
На какой стадии китайский проект по изучению гелиосферы
Когда впервые было заявлено об этой миссии, многие наблюдатели восприняли предложение как очередную презентацию PowerPoint, которая так и останется на экране компьютера. Однако теперь почти никто не сомневается, что эти аппараты отправятся к дальним рубежам Солнечной системы для изучения границы с межзвездным пространством. Если программа создания и запуска этих аппаратов получит одобрение, они станут первыми зондами для исследования нашей звездной системы, оснащенными ядерными реакторами.
Аналогичные проекты уже разрабатывались в последние десятилетия, и самым известным, пожалуй, был план «Прометей» по созданию ядерных зондов, который предлагали специалисты NASA. Из-за финансовых и технических соображений этот проект был сокращен до зонда JIMO, а затем и вовсе отменен. Ни один из этих планов не был воплощен в жизнь.
Сможет ли Китай достичь успеха там, где не справились остальные космические державы?
А то, есть ли перспективы у астрофизики NASA, обсуждали в этом материале.
На обложке — графика NASA
