К Меркурию на солнечном парусе: представлен концепт миссии Mercury Scout

Главная научная задача Mercury Scout — геологическая съемка Меркурия в высоком разрешении. Для этого аппарат предлагают оснастить только одним научным прибором: узкоугольной камерой NAC. Она должна получать изображения с разрешением до 1 метра на пиксель. Это заметно лучше возможностей камеры NAC на аппарате MESSENGER, который снимал поверхность Меркурия с разрешением до 20 метров на пиксель. Для сравнения, камера такого же типа на Lunar Reconnaissance Orbiter, работающем у Луны, может получать изображения с разрешением до 0,5 метра на пиксель. С помощью новой съемки ученые рассчитывают лучше понять историю коры Меркурия, оценить следы современной или недавней геологической активности и сопоставить новые данные с результатами прошлых миссий.

Особый интерес у авторов вызывает кора Меркурия. По нынешним оценкам, ее толщина составляет около 26 километров. Для планет Солнечной системы это немного, и потому строение и история этой коры остаются одним из ключевых вопросов для планетологов. Высокодетальная съемка может помочь точнее рассмотреть разломы, уступы, кратеры и другие структуры на поверхности, а также понять, как долго Меркурий оставался геологически активным после своего формирования.

Сам проект строится вокруг идеи, что добраться до Меркурия трудно именно из-за близости к Солнцу. На первый взгляд может показаться, что к ближайшей к Солнцу планете лететь проще, чем к далеким мирам. На деле все наоборот. Когда космический аппарат приближается к внутренней части Солнечной системы, мощная гравитация Солнца сильно увеличивает его скорость. Чтобы не проскочить мимо Меркурия и выйти на орбиту вокруг него, аппарат нужно затормозить. Обычно для этого требуется большой запас топлива и сложная траектория с гравитационными маневрами. Именно поэтому миссии к Меркурию редки и технически сложны.

Авторы Mercury Scout предлагают обойти часть этой проблемы с помощью солнечного паруса. Такой парус не сжигает топливо, а использует давление света. Фотоны, приходящие от Солнца, передают поверхности паруса небольшой импульс. Эта сила очень мала, но действует непрерывно и может постепенно менять скорость и направление движения аппарата. Исследователи отмечают, что солнечный парус в этом проекте нужен не только для движения без топлива, но и для управления траекторией и ориентацией. Кроме того, если отказаться от части традиционной двигательной системы и сократить число компонентов, аппарат можно сделать компактнее. Это потенциально упрощает конструкцию и может продлить срок службы миссии, а значит, и увеличить объем собранных данных.

Сама идея солнечного паруса не нова, но реальных примеров его успешной работы пока немного. В 2010 году японская миссия IKAROS первой продемонстрировала полноценное использование солнечного паруса в межпланетном пространстве. В 2019 году аппарат LightSail 2, созданный The Planetary Society, смог с помощью солнечного паруса корректировать свою околоземную орбиту. NASA также испытывает такие технологии. В апреле 2024 года агентство запустило миссию Advanced Composite Solar Sail System, или ACS3. В августе 2024 года аппарат успешно раскрыл паруса. Сейчас он работает на низкой околоземной орбите. На борту находится кубсат размером примерно с микроволновую печь. При этом у аппарата возникло неконтролируемое вращение, и специалисты продолжают следить за его состоянием.

Mercury Scout задуман как миссия класса Discovery. В NASA так называют сравнительно недорогие научные проекты стоимостью менее $1 млрд. Такие миссии обычно делают быстрее, чем крупные флагманские программы, бюджеты которых исчисляются уже десятками миллиардов долларов. Для Меркурия это особенно показательное сравнение, потому что MESSENGER, первый аппарат, вышедший на орбиту вокруг этой планеты, тоже относился к классу Discovery. В новой работе авторы рассматривают почти все основные элементы будущей миссии: схему движения, научные цели, состав приборов, общую конструкцию аппарата, связь и особенности управления.

Поскольку Mercury Scout должен работать очень близко к Солнцу, отдельной задачей становится тепловой режим. Чтобы аппарат не перегревался, исследователи предлагают сильно вытянутую орбиту вокруг Меркурия. В ближайшей точке она будет проходить примерно в 200 километрах от поверхности, а в самой далекой — примерно в 10 тысячах километров. Такая орбита позволит сочетать детальную съемку вблизи с более щадящими условиями на удаленных участках траектории. Это один из ключевых элементов всей концепции, потому что Меркурий получает очень мощный поток солнечной энергии, а значит, аппарату потребуется тщательно продуманная теплозащита и режим работы.

Для связи Mercury Scout предлагают использовать плоскую антенну по образцу тех, что применялись на MESSENGER и японской миссии Akatsuki. Последнюю отправили к Венере для изучения ее атмосферы.

Прощай, «Акацуки»: последний зонд на орбите вокруг Венеры замолчал навсегда

Авторы подчеркивают, что Mercury Scout — это упрощенная, но целенаправленная миссия. Они сознательно оставили на борту только одну научную нагрузку, чтобы сосредоточиться на главной задаче: длительной съемке поверхности в высоком разрешении. По их оценке, такой подход позволяет построить не универсальную платформу для самых разных экспериментов, а специализированный аппарат для изучения эволюции поверхности Меркурия. Исследователи считают, что именно сочетание простой полезной нагрузки и бестопливной тяги делает проект реалистичным в рамках ограниченного бюджета.

При этом сами авторы не скрывают, что у концепции остаются серьезные технические трудности. Среди них они называют стабильность наведения камеры, выживание аппарата в условиях сильного нагрева и точный контроль ориентации. Для миссии, которая должна получать изображения с разрешением около 1 метра на пиксель, этого нельзя недооценивать. Даже небольшие колебания аппарата могут ухудшить качество съемки. А рядом с Солнцем система ориентации и материалы корпуса будут работать в гораздо более жестких условиях, чем на орбите Земли или даже у Луны. Тем не менее авторы исследования считают, что принципиальных физических препятствий для такой миссии нет.