Нова концепция за настигане на междузвездната комета 3I/ATLAS

На 30 октомври 2017 г., по-малко от две седмици след откриването на Оумуамуа, Инициативата за междузвездни изследвания (i4is) започва проекта „Лира“. Целта на това концептуално проучване е да се определи дали мисията за среща с 'Оумуамуа е осъществима с помощта на настоящите или близкосрочните технологии. Оттогава екипът на i4is провежда проучвания, с които обмислят настигането на междузвездния обект с помощта на ядрено-термично задвижване (NTP) и лазерно платно, подобно на Breakthrough Starshot – концепция за междузвездна мисия за достигане до Алфа Кентавър за 20 години.

Както те описват в своето проучване, повечето от предложените по-рано методи за достигане на 1I/'Оумуамуа с помощта на краткосрочни технологии изискват маневра с асистенция от гравитацията на Слънцето по Оберт (SOM). Перфектен пример е „Sundiver“, предложение, направено от изследователя Корин Бейлър-Джоунс (Coryn Bailer-Jones) от Института по астрономия Макс Планк (MPIA). Както той описа пред Universe Today в предишна статия, тази концепция разчита на радиационното налягане на Слънцето, за да получи много висока скорост със светлинно платно.

„Принципът на ефекта на Оберт е да приложите ускорението си, когато се движите най-бързо спрямо тялото, което обикаляте, което е Слънцето в случая на Sundiver“, обяснява Бейлър-Джоунс. „Колкото по-близо сте до Слънцето във вашата орбита, толкова по-бърз ще бъдете. Така че, за да се възползвате от ефекта на Оберт, трябва да се приближите възможно най-близо до Слънцето."

В основата на SOM и други маневри на Оберт е техника, известна като "с помощ от гравитацията" или Gravity Assist, която се използва за изследване на Слънчевата система от началото на 70-те години на миналия век. Тази техника включва използване на гравитационната сила на три тела, включително космическия кораб, второ тяло, което осигурява „помощта“ (обикновено голяма планета) и централното тяло, около което се контролира пътят на космическия кораб.

Адам Хиберд (Adam Hibberd), изследовател от i4is, е водещ автор на това последно проучване на проекта „Лира“ (озаглавено „Проект „Лира“: Мисия до 1I/'Оумуамуа без слънчева маневра на Оберт“ - Project Lyra: A Mission to 1I/'Oumuamua without Solar Oberth Manoeuvre). Преди да се присъедини към i4is, Хиберд е аерокосмически инженер, разработва инженерен софтуер за оптимална междупланетна траектория (OITS). Когато бе открит 'Оумуамуа, той решава да използва OITS за този междузвезден обект като дестинация. След като разбира за Проект „Лира“, той се присъединява към него.

Концепция на художник за сондата със светлинно платно на проекта „Лира“, която се среща с междузвезден обект. Кредит: i4is

Както обяснява Хиберд, слънчевата маневра на Оберт (SOM) разчита на три дискретни промени в скоростта (известни още като импулси) за излизане от Слънчевата система. Те са:

1. Земята, за да се увеличи най-голямото разстояние на космическия кораб от Слънцето (афелий),
2. Афелият, за да забави темпото и да попадне близо до Слънцето,
3. Най-близката точка до Слънцето (перихелий), когато космическият кораб се движи към него най-бързо, за да получи допълнителен тласък

Възможни резултати от маневра, подпомогната от гравитацията в зависимост от вектора на скоростта и позицията на полета на насочващия се космически кораб. Кредит: Gravity assist, Wikiwand

„Този ​​сценарий с 3 импулса е открит от Теодор Еделбаум (Theodore Edelbaum) още през 1959 г., въпреки че терминът SOM изглежда е останал. Той е оптимален за гориво при генериране на високи скорости зад пределите на слънчевата система. Точно това е необходимо, за да се улови междузвезден обект, когато е преминал перихелия си и бързо се отдалечава от Слънцето."

„Тази теоретична основа обаче пренебрегва Юпитер. По този начин като лека модификация на SOM, ако забавим скоростта в стъпка 2 с помощта на обратна гравитационна асистенция на Юпитер, тогава можем да се постигне ускорение с още по-малко гориво. Именно  затова, защото SOM е толкова ефективен при генериране на високи скорости, е използван за изследователски мисии до далечни обекти."

Търсейки алтернативи на SOM, Хибърт и колегите му обмислят използването на изпитан във времето маршрут, който да включва мощното гравитационно привличане на Юпитер. Част от мотивацията им за това са присъщите предизвикателства, които представлява маневрата с асистенция от слънчевата гравитация. Въпреки че тази маневра изглежда страхотно на хартия, тя никога не е била изпълнявана преди и поради това има ниско ниво на технологична готовност (TRL).

Мисията Interstellar Probe ще бъде най-далечната мисия досега, изпреварвайки сондите Voyager и New Horizons. Кредит: NASA/JHUAPL

Освен това, съществува проблемът за това колко ще се нагрее космичестия кораб, когато стигне перихелия по време на стъпка 3 (между 3 и 10 слънчеви радиуса).

Тези въпроси са разгледани в скорошно концептуално проучване на НАСА по слънчева и космическа физика, озаглавено „Междузвездна сонда: Пътуването на човечеството в междузвездното пространство“ (Interstellar Probe: Humanity’s Journey to Interstellar Space. Това проучване е проведено за документа "Десетилетно изследване на слънчевата и космическата физика 2023–2032" ( Solar and Space Physics 2023–2032 Decadal Survey), който включва (наред с други) концепция за междузвездна сонда. В допълнение D2.2., изследването разглежда термичната защита в контекста на слънчевата маневра по Оберт:

„За разлика от по-ранните мисии, при които е бил необходим дизайн на щит за дадено разстояние до Слънцето, предизвикателството на междузвездната сонда е да се види колко най-близо до Слънцето е реалистично да се приближи космическият кораб. С намаляването на слънчевото разстояние ъгълът на умбрата* се увеличава и размерът на щита, спрямо космическия кораб, нараства значително.

Земята хвърля две сенки върху Луната по време на лунно затъмнение: умбрата е пълна, тъмна сянка, пенумбрата е частична външна сянка.

„Тъй като усилията за концептуално проектиране не могат да включват всички ограничения на дизайна на материала, производството и тестването, окончателната препоръка за допустимо разстояние до Слънцето се прави въз основа на това къде изглежда дизайнът се движи от много трудно към невъзможно.“

Както соларната сонда Parker демонстрира нагледно, приближаването до Слънцето изисква топлинен щит, който може да се справи с екстремната топлина и радиация. В случая с "Паркър", този щит е с диаметър около 2,44 метра и тежи почти 72,5 кг. Въпреки че размерът и масата на топлинния щит за „Лира“ няма да са идентични, може да се предположи, че слънчевият топлинен щит ще доведе до много допълнителна маса за светлинното платно.

Рояк космически кораби с лазерни платна, напускащи Слънчевата система. Кредит: Adrian Mann

Като алтернатива Хиберд и неговият екип препоръчват маневра на Юпитер по Оберт (JOM), която ще стартира от Земята, ще се завърти около Венера и Земята, ще проведе маневра в дълбокото пространство (DSM), ще се завърти отново покрай Земята, след което ще получи гравитационен тласък (Gravity Assist) с помощта на гравитационното привличане на Юпитер. Това е обобщено от акронима VE-DSM-EJ или по-често използваното VEE-GA – Venus, Earth, Earth, Gravity Assist (Венера, Земя, Земя, гравитационна асистенция).

Траектория на VEE-GA. Кредит: Adam Hibberd et al.

Както Хиберд посочва, тази маневра би имала няколко предимства пред SOM, сред които:

„Няма да изисква тежък топлинен щит и също така няма да има нужда от: а) Допълнително разстояние на полета от Юпитер в сравнение със слънчевата маневра по Оберт от около 5,2 астрономически единици (au), [и] б) Допълнително пътуване обратно до орбитата на Юпитер с още 5,2 au. И (а) и (б) изискват повече време при SOM, което не би било необходимо за маневра на Оберт с помощта на Юпитер (JOM).

„JOM е откритие, което е ключово за задачата на „Проект Lyra“ за намиране на възможности с помощта на „текущи или краткосрочни технологии“, тъй като по същество не изисква хардуер или маневри, които не са били изпробвани преди, за разлика от SOM. Въпреки че се спестява време – по-ниските скорости на полета, генерирани от JOM, означават, че продължителността на мисията трябва да бъде по-дълга".

Друго предимство, идентифицирано от Хиберд и неговия екип, е скоростта при пристигане на космическия кораб до 'Оумуамуа, която би била много по-бавна от тази, разчитаща на SOM – 18 км/сек (64 800 км/ч) срещу 30 км/сек (108 000 км/ч). Това ще даде на космическия кораб повече време да анализира 'Оумуамуа по време на приближаването и отминаването му. Въз основа на прозореца за изстрелване от 2028 г., изследователите определят, че космически кораб на проект „Лира“ ще може да настигне Оумуамуа до 2054 г.

Като се има предвид, че 'Оумуамуа е най-близката част от междузвезден материал, достъпен за нас, научните резултати от мисия биха били неизмерими. За относително ниската цена на мисията човечеството би могло да получи първата си представа какво се случва в други звездни системи до средата на века. По-важното е, че това би било шанс най-накрая да разрешим многото въпроси, които Оумуамуа повдигна, когато направи историческото си прелитане над Земята преди години!

Дали бе азотен айсберг или извънземен аварирал кораб? Или нещо съвсем друго? Ако изиграем картите си правилно, ще знаем отговорите на всички тези въпроси до средата на века!

Справка: Project Lyra: A Mission to 1I/’Oumuamua without Solar Oberth Manoeuvre
Adam Hibberd, Andreas M. Hein, T. Marshall Eubanks and Robert G. Kennedy III, arXiv: https://arxiv.org/pdf/2201.04240.pdf

Източник: If Launched by 2028, a Spacecraft Could Catch up With Oumuamua in 26 Years, Universe Today