W ubiegłym tygodniu, od poniedziałku 27 lutego do środy 1 marca, NASA zorganizowała „Planetary Science Vision 2050 Workshop” w swojej siedzibie głównej w Waszyngtonie. Podczas wielu prezentacji, przemówień i adresów, które stanowiły warsztat, NASA i jej podmioty stowarzyszone podzieliły się wieloma propozycjami dotyczącymi przyszłości eksploracji Układu Słonecznego.
Bardzo popularnym tematem warsztatów była eksploracja Tytana. Oprócz tego, że jest jedynym innym ciałem w Układzie Słonecznym z atmosferą bogatą w azot i widoczną cieczą na swojej powierzchni, ma również środowisko bogate w chemię organiczną. Z tego powodu zespół prowadzony przez Michaela Paukena (z NASA Jet Propulsion Laboratory) przeprowadził prezentację opisującą wiele sposobów, w jakie można ją zbadać za pomocą pojazdów powietrznych.
Prezentacji, zatytułowanej „Nauka w różnych regionach naukowych w Titan przy użyciu platform lotniczych”, przewodniczyli także członkowie przemysłu lotniczego - tacy jak AeroVironment i Global Aerospace z Monrovia w Kalifornii oraz Thin Red Line Aerospace z Chilliwack, PNE. Wspólnie przeanalizowali różne koncepcje platform powietrznych, które zostały zaproponowane dla Titan od 2004 roku.
Chociaż koncepcja eksploracji Tytana za pomocą powietrznych dronów i balonów sięga lat 70. i 80. XX wieku, 2004 był szczególnie ważny, ponieważ w tym czasie lądownik Huygens przeprowadził pierwszą eksplorację powierzchni Księżyca. Od tego czasu powstało wiele interesujących i wykonalnych propozycji platform lotniczych. Jak dr Pauken powiedział Space Magazine pocztą elektroniczną:
“Misja Cassini-Huygens ujawniła wiele na temat Tytana, których wcześniej nie znaliśmy, i to również wywołało wiele innych pytań. Pomógł nam ustalić, że obrazowanie powierzchni jest możliwe poniżej 40 km wysokości, dlatego ekscytujące jest to, że możemy zrobić zdjęcia lotnicze Tytana i odesłać je z powrotem do domu. ”
Te koncepcje można podzielić na dwie kategorie, którymi są jednostki Lżejsze niż powietrze (LTA) i Jednostki cięższe niż powietrze (HTA). I jak wyjaśnił Pauken, oba są odpowiednie, jeśli chodzi o eksplorację księżyca takiego jak Tytan, który ma atmosferę gęstszą niż Ziemska - 146,7 kPa na powierzchni w porównaniu do 101 kPa na poziomie morza na Ziemi - ale tylko 0,14 razy grawitacja (podobna do Księżyca).
„Gęstość atmosfery Tytana jest wyższa niż na Ziemi, więc doskonale nadaje się do latania lżejszymi od powietrza pojazdami jak balon” - powiedział. „Niska grawitacja Tytana jest korzystna dla pojazdów cięższych niż powietrze, takich jak helikoptery lub samoloty, ponieważ będą one„ ważyć ”mniej niż na Ziemi.”
„Koncepcje LTA lżejsze od powietrza są prężne i nie potrzebują żadnej energii, aby pozostać w powietrzu, więc więcej energii można skierować na instrumenty naukowe i komunikację. Koncepcje cięższe od powietrza muszą zużywać energię, aby pozostać w powietrzu, co odbiera naukę i telekomunikację. Ale HTA można skierować na cele szybciej i dokładniej w pojazdach LTA, które w większości dryfują z wiatrem. ”
Balon Montgolfiere TSSM:
Plany użycia balonu Montgolfiere do eksploracji Tytana sięgają roku 2008, kiedy NASA i ESA wspólnie opracowały koncepcję Titan Saturn System Mission (TSSM). Sztandarowa misja TSSM składałaby się z trzech elementów, w tym z orbity NASA i dwóch elementów in situ zaprojektowanych przez ESA - lądownika do eksploracji jezior Tytana i balonu Montgolfiere do eksploracji jego atmosfery.
Orbiter polegałby na radioizotopowym systemie zasilania (RPS) i elektrycznym napędzie słonecznym (SEP), aby dotrzeć do układu Saturna. W drodze do Tytana byłby odpowiedzialny za badanie magnetosfery Saturna, latanie przez pióropusze Enceladusa w celu analizy pod kątem markerów biologicznych oraz fotografowanie „Pasków Tygrysa” Enceladusa w południowym regionie polarnym.
Gdy orbiter osiągnie orbitę z Saturnem, wypuści Montgolfiere podczas pierwszego przelotu Titan. Kontrola postawy balonu byłaby zapewniona przez ogrzewanie otaczającego gazu za pomocą ciepła odpadowego RPS. Główna misja trwałaby w sumie około 4 lat, składając się z dwuletniej trasy Saturn, 2-miesięcznej fazy próbkowania aerodynamicznego Tytana i 20-miesięcznej fazy krążenia wokół Tytana.
Z korzyści wynikających z tej koncepcji najbardziej oczywisty jest fakt, że pojazd Montgolfiere napędzany RPS mógłby działać w atmosferze Tytana przez wiele lat i byłby w stanie zmieniać wysokość przy minimalnym zużyciu energii. W tym czasie koncepcja TSSM konkurowała z propozycjami misji dla księżyców Europy i Ganymede.
W lutym 2009 r. Zarówno TSSM, jak i koncepcja misji Europa Jupiter System (EJSM) zostały wybrane do dalszego rozwoju, ale EJSM otrzymało pierwszeństwo. Ta misja została przemianowana na Europa Clipper i ma zostać uruchomiona w 2020 r. (I przybyć do Europy do 2026 r.).
Balon helowy Titan:
Późniejsze badania balonów Montgolfiere ujawniły, że lata służby i minimalne wydatki energii można również osiągnąć w znacznie bardziej kompaktowej konstrukcji balonu. Łącząc konstrukcję otoczoną helem, taka platforma mogłaby działać na niebie Tytana cztery razy dłużej niż balony tutaj na Ziemi, dzięki znacznie wolniejszemu współczynnikowi dyfuzji.
Kontrola wysokości byłaby również możliwa przy bardzo niewielkich ilościach energii, które można by zapewnić za pomocą pompy lub sprężania mechanicznego. Tak więc, przy RPS zapewniającym moc, można oczekiwać, że platforma wytrzyma dłużej niż porównywalne konstrukcje balonów. Balon z helem kopertowym można również połączyć z szybowcem, aby stworzyć pojazd lżejszy od powietrza, zdolny również do ruchu bocznego.
Przykładem tego jest Titan Winged Aerobot (TWA, pokazany poniżej), który został zbadany w ramach programu badań małych i średnich firm (SBIR) w fazie pierwszej 2016 roku NASA. Opracowany przez Global Aerospace Corporation, we współpracy z Northrop Grumman, TWA jest pojazdem hybrydowym, balonem i manewrowym szybowcem z trójwymiarową kontrolą kierunkową, która może spełnić wiele celów naukowych.
Podobnie jak koncepcja Mongtolfiere, polegałby on na minimalnej mocy zapewnianej przez pojedynczy RPS. Jego unikalny system pływalności pozwoliłby mu również zejść i wznieść się bez potrzeby stosowania układów napędowych lub powierzchni kontrolnych. Wadą jest to, że nie może wylądować na powierzchni Księżyca, aby przeprowadzić badania, a następnie ponownie wystartować. Jednak konstrukcja pozwala na lot na małej wysokości, co pozwoliłoby na dostarczenie sond na powierzchnię.
Inne koncepcje, które zostały opracowane w ostatnich latach, obejmują cięższe samoloty, które koncentrują się na rozwoju pojazdów o stałym skrzydle i wiropłatów.
Naprawiono pojazdy skrzydłowe:
W przeszłości proponowano również koncepcje samolotów stacjonarnych na misję do Tytana. Godnym uwagi przykładem jest pojazd powietrzny do rozpoznania in-situ i Airborne Titan Reconnaissance (AVIATR), bezzałogowy statek powietrzny (UAV), który został zaproponowany przez Jasona Barnesa i Lawrence'a Lemke w 2011 r. (Z University of Idaho i Central Michigan University, odpowiednio).
Opierając się na RPS, który wykorzystywałby ciepło odpadowe z rozkładającego się Plutonu 238 do napędzania małej turbiny zamontowanej z tyłu, ten statek o niskiej mocy wykorzystałby gęstą atmosferę i niską grawitację Tytana do prowadzenia trwałego lotu. Nowatorska strategia „wznoszenia, a następnie schodzenia”, w której silnik wyłączałby się podczas okresów poślizgu, pozwalałaby również na gromadzenie energii w celu optymalnego wykorzystania podczas sesji telekomunikacyjnych.
Rozwiązuje to poważną wadę pojazdów ze stałymi skrzydłami, którą jest konieczność podziału mocy między potrzeby utrzymania lotu i prowadzenia badań naukowych. AVIATR jest jednak ograniczony pod jednym względem, ponieważ nie może zejść na powierzchnię w celu przeprowadzenia eksperymentów naukowych lub pobrania próbek.
Wiropłat:
Ostatnia, ale nie mniej ważna, jest koncepcja wiropłatów. W tym przypadku platforma powietrzna byłaby quadkopterem, który dobrze pasowałby do atmosfery Tytana, pozwalałby na łatwe wynurzanie i zejście oraz na badania na powierzchni. Wykorzystałby również rozwój dokonany w komercyjnych bezzałogowych statkach powietrznych i dronach w ostatnich latach.
Ta koncepcja misji składałaby się z dwóch elementów. Z jednej strony wiropłat - znany jako Titan Aerial Daughtercraft (TAD) - który polegałby na systemie akumulatorów do zasilania się podczas lotów krótkotrwałych (około godziny na raz). Drugim elementem jest „Mothercraft”, który przybierze formę lądownika lub balonu, do którego TAD wróci między lotami, aby naładować się z pokładowego RPS.
Obecnie NASA Jet Propulsion Laboratory opracowuje podobną koncepcję, znaną jako „Scout” śmigłowca Mars, do użytku na Marsie - która ma zostać uruchomiona na pokładzie misji Mars 2020. W tym przypadku projekt wymaga dwóch współosiowych przeciwbieżnych wirników, które zapewniłyby najlepszy stosunek ciągu do ciężaru w cienkiej atmosferze Marsa.
Kolejna koncepcja wiropłatów jest realizowana przez Elizabeth Turtle i współpracowników z John Hopkins APL i University of Idaho (w tym James Barnes). Przy wsparciu NASA i członków Goddard Space Flight Center, Pennsylvania State University i Honeybee Robotics, zaproponowali koncepcję znaną jako „Dragonfly”.
Ich pojazd powietrzny polegałby na czterech wirnikach, aby skorzystać z gęstej atmosfery Tytana i niskiej grawitacji. Jego konstrukcja pozwoliłaby również na łatwe uzyskanie próbek i określenie składu powierzchni w wielu ustawieniach geologicznych. Odkrycia zostaną zaprezentowane podczas zbliżającej się 48. Konferencji Nauk Księżycowych i Planetarnych - która odbędzie się w dniach 20-24 marca w The Woodlands w Teksasie.
Podczas gdy eksploracja Tytana najprawdopodobniej zajmie miejsce w eksploracji Europy w nadchodzących dziesięcioleciach, oczekuje się, że misja zostanie podjęta przed połową tego wieku. W obu przypadkach cele naukowe są nie tylko takie same - szansa na zbadanie wyjątkowego środowiska i poszukiwanie życia poza Ziemią - ale korzyści będą porównywalne.
Z każdym badanym przez nas ciałem potencjalnie noszącym życie, możemy dowiedzieć się więcej o tym, jak życie zaczęło się w naszym Układzie Słonecznym. I nawet jeśli nie znajdziemy w tym życiu żadnego życia, możemy dowiedzieć się wiele o historii i formowaniu się Układu Słonecznego. Co więcej, będziemy o krok bliżej zrozumienia miejsca ludzkości we Wszechświecie.
