Вторник, 13.11.2018
Космическая погода на текущий час
Вход в систему не произведен
 Войти /  Регистрация

Секция Совета РАН по космосу

Проект ЛАПЛАС– Европа П

Введение

Введение

Изучение планет-гигантов и их спутников было важной частью программы исследования Солнечной системы НАСА, начиная с полетов Пионеров и Вояджеров в 70-х годах XX столетия. Такие исследования дальних рубежей Солнечной системы важны для понимания происхождения и эволюции Солнечной системы, исследование распределения химического элементного состава в Солнечной системе, изучение внутреннего строения, атмосфер планет-гигантов и их спутников, а также поиска следов жизни. Система Юпитера вызывает наибольший интерес международного научного сообщества после пионерских миссий “Voyager” и “Galileo”. Наряду с самой планетой и ее магнитосферой, повышенное внимание исследователей привлекают Галилеевы спутники Юпитера, в первую очередь Европа.

Европа во многом похожа на Луну: радиус Европы немного меньше, а средняя плотность (около 3 г см-2) близка к плотности Луны. Как и Луна, Европа и другие галилеевы спутники находятся в состоянии близком к синхронному вращению, т.е. период вращения почти равен периоду обращения, и спутник обращен к планете одной и той же стороной. Водяной лед на поверхности Европы был обнаружен средствами наземной астрономии. Температура поверхности днем  оценивалась как 120-135°K. Многие наблюдательные факты указывают на то, что под ледяной корой находится водяной океан, который, теоретически, может служить средой обитания для примитивных форм жизни.

Первые снимки поверхности были получены в 1979г во время пролета космических аппаратов Вояджер-1 и Вояджер-2. Большая часть поверхности Европы относительно гладкая и яркая. Некоторые области, в основном, вблизи экватора более темные и имеют пятнистую структуру. Плотность ударных кратеров намного ниже, чем на поверхности большинства тел Солнечной системы. Но главной морфологической особенностью поверхности Европы является сеть темных линейных деталей. Их длина достигает тысяч километров. Гладкость поверхности показывает, что ледяной покров оставался относительно теплым, мягким и подвижным в течение большей части геологической истории спутника.

В 1995 г. на орбиту искусственного спутника Юпитера вышел космический аппарат Галилео. С 1997г миссия была специально направлена на исследование Европы. Были получены изображения Европы с высоким разрешением, до единиц метров. Оказалось, что некоторые из линейных деталей имеют ширину всего лишь около километра. Выпуклые линейные, часто двойные, детали (хребты) формировались, вероятно, в результате выдавливания вязкого материала через трещины. Земным аналогом этого процесса может служить образование срединных океанических хребтов на стыке тектонических плит в результате повторных истечений магмы. Но природа вещества здесь, конечно, другая. Главным источником энергии в тектонических процессах на Европе служит приливное взаимодействие с Юпитером, а также с другими спутниками. Подсчет ударных кратеров показывает, что возраст многих областей не превышает нескольких миллионов лет. Следовательно, жидкая вода выносилась здесь на поверхность совсем недавно. Спектральные наблюдения показывают, что лед Европы содержит примеси, возможно органические. В некоторых районах на поверхности обнаружены гидратированные соли.

По современным представлениям, Европа полностью покрыта слоем воды толщиной предположительно порядка 100 км (частью - в виде ледяной поверхностной коры толщиной 10-30 км; частью – в виде подповерхностного жидкого океана). По косвенным оценкам, например, вариациям магнитного поля Европы, скорость течения воды в океане может достигать нескольких метров в секунду. Одна из возможных причин того, что подо льдом глубокий океан – энергия, выделяющаяся при приливных движениях воды. Мощные гравитационные воздействия Юпитера приводит к огромным приливным эффектам. На дне океана залегают горные породы, а в центре предположительно находится небольшое металлическое ядро. Для гипотетической обитаемости океана Европы важно, что имеется контакт жидкой воды и минерального основания.

Поверхность Европы с характерными трещинами и разломами.
Предполагаемое внутреннее строение Европы – подледный океан под ледяным панцирем.

Наверх

Международный контекст

Международный контекст

Исследование внешних планет продолжает играть важную роль в программе НАСА. В августе 2011 года НАСА планирует запуск спутника Юпитера JUNO для исследования атмосферы, магнитосферы и гравитационного поля Юпитера. После успеха совместной программы исследования системы Сатурна и его спутника Титана Кассини-Гюйгенс, к этим усилиям активно подключилось Европейское космическое агентство. В последние годы разработано несколько перспективных проектов изучения Европы и системы Юпитера в целом с помощью космических аппаратов.

Несколько лет назад космические агентства США и Европы (ЕКА и НАСА) предложили объединенную космическую миссию к системе Юпитера Europa Jupiter System Mission (EJSM-Laplace) с предположительным запусками в 2018-2022 гг. Проект состоит из двух космических аппаратов для исследования Юпитера, Ганимеда и Европы. В рамках этого проекта НАСА планирует КА Jupiter Europa Orbiter (JEO). Программа аппарата нацелена на исследование системы Юпитера, Ио и Европы. После выхода на орбиту вокруг Европы он проведет ее комплексное дистанционное исследование: океана, геофизической активности, всего, что может играть роль в потенциальной обитаемости Европы. ЕКА планирует Jupiter Ganymede Orbiter (JGO), для исследования Юпитера, Ганимеда и Каллисто. После выхода на орбиту вокруг Ганимеда он проведет исследования его магнитосферы, внутреннего строения, океана, поверхности и экзосферы. В рамках того же проекта JAXA предложила третий КА Jupiter Magnetospheric Orbiter (JMO) для детального изучения магнитосферы Юпитера.

Хотя в 80-х годах в СССР проводились НИР по исследованию системы Юпитера, в реальности советские и российские космические программы ограничились исследованием внутренней части Солнечной системы, полетами к Луне, Венере, и Марсу. В 2007 году Российская академия наук и Роскосмос предложили включить посадочный аппарат для исследования спутника Юпитера Европы в качестве дополнительного самостоятельного элемента проекта EJSM/Laplace. Основными научными задачами посадочной платформы будут комплексные исследования Европы на поверхности дистанционными и контактными методами и поиск следов жизни. После проработки проекта в 2008-2009 годах Россия решила включить в наш космический комплекс также орбитальный аппарат для обеспечения независимой ретрансляции данных и выбора места посадки. Проект «Лаплас» – первая  экспедиция России в зону планет-гигантов, которая позволит накопить технический опыт их изучения для исследований внешних планет и дальних рубежей Солнечной системы. 

Наверх

Научные задачи российского проекта «Лаплас-посадка на Европу»

Научные задачи российского проекта «Лаплас-посадка на Европу»

Система Юпитера представляет собой природную плазменную лабораторию, кроме того, она имеет уникальную систему спутников – аналогов планет земной группы. О существовании океана жидкой воды под ледяным панцирем Европы говорит очень многое, но не все планетологи считают, что это доказано.

Основные вопросы для исследования Европы формулируются следующим образом:

−     Действительно ли под ледяным покровом имеется жидкая вода?

−     Связано ли присутствие жидкой воды с локальными горячим пятнами?

−     Существует ли на Европе глобальный океан?

−     Какова толщина и распределение ледяной коры?

−     Есть ли условия для жизни на Европе?

−     Есть ли на Европе следы жизни или современная жизнь?

Большинство научных задач, связанных с исследованиями поверхности, обитаемостью, и поисками следов жизни невозможно решить с помощью орбитальных аппаратов. В рамках проекта «Лаплас-посадка на Европу» могут быть решены фундаментальные вопросы по внутреннему строению, физике поверхности и атмосферы (экзосферы) Европы. Кроме того, приборы перелетного и орбитального аппаратов позволят российским ученым впервые реализовать собственные планы по исследованию системы Юпитера и самой планеты.

По результатам предварительного рассмотрения в рамках первого года НИР, научные задачи проекта Лаплас-посадка на Европу следующие:

Со спускаемого аппарата:

-        Подтверждение существования жидкого океана, определение толщины и жесткости ледяной коры, исследования внутреннего строения путем проведения различных геофизических измерений;

-        Детальное изучение материала поверхности для понимания происхождения ледяных спутников. Исследования состава льда и примесей включая изотопные отношения на основании анализа элементного состава и изотопных соотношений газов методами газовой хроматографии и масс-спектрометрии;

-        Исследование и определение характеристик среды указывающий на возможность существования жизни на Европе, поиск следов прошлой и существующей жизни на поверхности и в приповерхностном слое;

-        Наблюдения и измерения в региональном, локальном и микромасштабе для привязки дистанционных орбитальных наблюдений;

-        Локальные измерения радиационных условий, вторичных ионов, экзосферы спутника и летучих вблизи поверхности (CH4, NH3, CO2, и т.д.).

С орбитального аппарата:

-         получения достоверного подтверждения существования и определения свойств океана под поверхностью Европы (исследования магнитного поля Европы, точные измерения расстояния до посадочного аппарата)

-        Картирование и изучение состава поверхности Европы (неорганического и органического происхождения)

-        Картирование поверхности Европы с высоким разрешением, чтобы идентифицировать особенности поверхности и определить глобальную стратиграфию, выбор места посадки, изучение топографии поверхности;

-        Поиск современной геологической активности на Европе, картирование свечений летучих в атмосфере, как свидетельств геологической активности (например, свечение Na)

-        Исследование состава и динамики атмосферы-экзосферы-ионосферы Европы. Идентификация ключевых химических элементов и компонент на поверхности и в атмосфере Европы (O2, H2O2, SO2, SO и т.д.).

-        Исследование взаимодействия экзосферы Европы с магнитосферой Юпитера, потоков энергичных ионов и электронов, достигающих поверхности Европы, электромагнитного взаимодействия с Юпитером.

Исследования Юпитера

с орбитального аппарата (возможно использование перелетного модуля для научных исследований)

-        Исследования атмосферы Юпитера, ее динамики, вертикальной структуры и состава, в частности гидрокарбонатов. Поиск глобальных вариаций гомопаузы методом звездного просвечивания, по измерениям плотности гидрокарбонатов.

-        Изучение химической и микрофизической структуры облаков

-        Изучение динамического взаимодействия между атмосферой и энергетическими источниками в верхней атмосфере

-        Происхождение «пятен», их возможная связь с авроральной активностью, термодинамической циркуляцией или циркуляцией экзосферы;

-                 Роль переходов между орто- и пара-состояниями водорода как источника внутреннего тепла Юпитера, по УФ-наблюдениям атмосферы с высоким спектральным и пространственным разрешением.

-        Исследование магнитосферы Юпитера, ионного состава плазмы и ускоренных частиц, роли спутников в плазменном населении Юпитера, динамики магнитосферной плазмы.

-        Процессы взаимодействия магнитосферы со спутниками, в особенности с Европой и Ганимедом.

-        Структура, динамика и радиальный транспорт в магнитодиске Юпитера.

Изучение межпланетной среды

-        исследование межпланетного пространства на трассе перелета от Земли к Юпитеру; изучение пространственно-временной динамики  мелкомасштабных и средне-масштабных структур межпланетной среды; изучение динамики параметров плазмы и магнитного поля  в области взаимодействия Юпитера с солнечным ветром; исследование турбулентности межпланетной среды в области высоких частот

Изучение других спутников Юпитера

-        в процессе выхода КА на орбиту вокруг Европы произойдут многочисленные сближения со спутниками Юпитера Ганимедом и Каллисто. Во время этих сближений будут проведены их дистанционные наблюдения для исследования внутреннего строения, поверхности, экзосфер и взаимодействия с магнитосферой Юпитера. Во время противостояний Европы и Ио будут проведенные наблюдения Ио для изучения характеристик его плазменного тора и их вариации, исследования взаимодействия между вулканической активностью и атмосферой Ио, исследования горизонтального и вертикального распределения составляющих атмосферы, через картирование и звездные затмения, изучение формирования «полярных сияний» на Ио.

Наверх

Лаплас – космический аппарат и состав научной аппаратуры

Лаплас – космический аппарат и состав научной аппаратуры

Планируются следующие основные этапы экспедиции: межпланетный перелет к Юпитеру; полет в сфере действия Юпитера; выход на орбиту вокруг Европы и посадка. В качестве средства выведения на отлетную траекторию используется РН «Протон-М» и РБ «Бриз-М». При полете вблизи Юпитера для уменьшения энергетических затрат на выход на орбиту вокруг Европы проводится серия гравитационных маневров у галилеевых спутников. С круговой полярной орбиты производятся исследования поверхности и выбирается место посадки, удовлетворяющее определенным требованиям по рельефу местности. Посадочный модуль реализует операции по сходу с орбиты и посадке, орбитальный модуль остается на орбите для обеспечения ретрансляции информации с посадочного аппарата.

Основные элементы миссии следующие:

  • Орбитальный модуль, предназначенный для проведения дистанционных исследований, выбора места посадки и ретрансляции информации с посадочного аппарата на Землю;
  • Спускаемый аппарат, предназначенный для осуществления посадки на поверхность Европы;
  • Перелетная двигательная установка, предназначенная для маневрирования в околоюпитерианском пространстве. После выдачи тормозного импульса для выхода на орбиту вокруг Европы двигательная установка должна отделиться от оставшейся связки посадочного и орбитального модулей;

Предварительные расчеты показали, что масса комплекса научной аппаратуры на орбитальном-перелетном модуле может достигать 50 кг, на посадочном аппарате – 60 кг. Учитывая сложность миссии, в основных элементах проекта используется большой научно-технический задел.

Общий вид орбитального аппарата
Общий вид спускаемого аппарата
Схема полета к системе Юпитера и посадки на Европу с использованием ЭРДУ

Наверх

Определение масс космических объектов

Первым шагом в решении этой задачи стало определение массы Земли. Наиболее сложная часть работы состояла в определении величины радиуса Земли. Это потребовало... [далее]

Rambler's Top100