A Close Look at Project Lyra (Пристальный взгляд на проект Лира)

Доброе время суток, Гиктаймс!

Вчера я опубликовал статью "Догнать ʻOumuamua! Проект «Лира» ^[1]", и, когда начал читать упомянутый в ней мною отчёт «Project Lyra: Sending a Spacecraft to 1I/’Oumuamua (former A/2017 U1)», the Interstellar Asteroid, быстро выяснилось, что надо бы его перевести для лучшего понимания. Начал я с самого вкусного третьего раздела «3. Concepts and Technologies», и пока переводил его, мне написал Денис Нырков, voyager-1 ^[2], что он как раз перевёл начало статьи. Вот так, втроём, совместными усилиями, мы и одолели поставленную задачу. Третий участник — переводчик Гугла. Честно скажу, что без его участия я бы просто не стал возиться с этой статьёй.

Ссылки на предыдущие статьи об ʻOumuamua уважаемого участника с ником akurilov ^[3]:
1) Свидание с ʻOumuamua. Впервые открыт межзвёздный объект в Солнечной Системе ^[4]
2) Первый открытый межзвёздный объект оказался необычным ^[5]

3) Моя обзорная статья о «Проекте Лира» — Догнать ʻOumuamua! Проект «Лира» ^[1]

Примечания курсивом в круглых скобках мои. Список источников сознательно оставлен как есть, добавлены примечания. Так будет проще найти источники. В дальнейшем планирую сделать несколько переводов с названиями типа: «A Close Look at Project Lyra #00 (Пристальный взгляд на проект Лира №00)», где вместо нулей будет номер источника из списка, если кто-то захочет присоединиться — милости прошу. Кроме того, всё как в жизни, то пусто, то густо. Я хочу сделать новую публикацию о «Moon Village», благо появилась актуальная новость и интересная информация. Вот собственно, и все предисловие.

Andreas M. Hein (1), Nikolaos Perakis (1), Kelvin F. Long (1), Adam Crowl (1), Marshall Eubanks (2), Robert G. Kennedy III (1), Richard Osborne (1)

1) Initiative for Interstellar Studies ^[6], Bone Mill, New Street, Charfield, GL12 8ES, United Kingdom
2) Asteroid Initiatives LLC ^[7]

Аннотация

Первый подтверждённый межзвёздный объект, обнаруженный в нашей Солнечной системе, ʻOumuamua (ранее известный как A/2017 U1) предоставил нам возможность прямого изучения материала из другой звёздной системы. Можно ли перехватить данный объект? Вызов в достижении объекта за разумное время трудноосуществим в связи с его большой избыточной гиперболической скоростью ^[8] (скоростью за вычетом третьей космической скорости ^[9]) около 26 км/с, намного быстрее чем любой аппарат, запущенный на данный момент. Эта статья предоставляет высокоуровневый анализ возможного осуществления подобной миссии в ближайшее время. Запуск аппарата с приемлемым временем порядка подготовки миссии 5-10 лет требует избыточной гиперболической скорости между 33 и 76 км/с для длительности миссии между 30 и 5 годами соответственно. Различные продолжительности миссии и их скорости требуют оценок с учётом даты запуска, предполагают вывод на траекторию перехвата одним импульсом. Изложены несколько техническим возможностей включая манёвр Оберта ^[10] (или гравитационный манёвр ^[11]) вблизи Солнца при помощи химических двигателей, и более продвинутая возможность с использованием солнечных или лазерных парусов. Для максимизации научного результата миссии весьма желательным является замедление аппарата у ʻOumuamua, в связи с низким научным выходом при высокоскоростном пролёте. Делается вывод что, хотя достижение объекта и является техническим вызовом, осуществление его видится жизнеспособным с технологиями, существующими уже сейчас или теми, которые появятся в ближайшее время.

1. Введение

19 октября 2017 года в университете Гавайев при помощи данных сети телескопов Pan-STARRS ^[12] был обнаружен объект вблизи Земли, изначально названный A/0217 U1, но в дальнейшем переименованный в ʻOumuamua. Было обнаружено что этот объект имеющий скорость в бесконечности (относительно Солнца) порядка 26 км/с не привязан к Солнечной системе, и прибыл к нам из точки близкой к солнечному апексу ^[13] (сверху относительно плоскости, в которой движутся планеты) из созвездия Лиры. В связи с тем, что у него не было обнаружено хвоста при приближении к Солнцу, объект не выглядел как комета и был признан астероидом. Более поздние наблюдения из Паломарской обсерватории указывали на то что объект имеет красноватый оттенок, похожий на цвет объектов из пояса Койпера [3]. Это выглядело признаком космической эрозии. Его орбитальные свойства были проанализированы в работах [2,4].

В данный момент частота попадания таких объектов в Солнечную систему слабо изучена. Так как ʻOumuamua является ближайшим макроскопическим образцом межзвёздного материала (речь идёт о т.н. галактических лучах ^[14]) вероятно с отличительным изотопным отпечатком от всех объектов Солнечной системы, научный результат от получения образцов такого объекта трудно оценить. Подробное исследование межзвёздного материала на межзвёздных расстояниях, вероятно, состоится не ранее, чем через десятки лет, даже если проект Breakthrough Starshot ^[15] (для примера) будет энергично развиваться. Следовательно, весьма интересным вопросом является возможность использования такой уникальной возможности отправки космического аппарата к ʻOumuamua для исследования его вблизи.

Инициатива межзвёздных исследований (Initiative for Interstellar Studies) ^[6] (некоммерческая организация, основанная в Англии в 2012 году) или сокращённо «i4is», анонсировала 30 октября проект Лира для ответа на эти вопросы. Целью проекта является оценить возможность осуществления миссии к ʻOumuamua с использованием текущих и ожидаемых в ближайшее время технологий, и предложить концепцию миссии для осуществления пролётной миссии или встречи с этим астероидом. Вызов является сложным: согласно текущим оценкам, Oumuamua имеет избыточную гиперболическую скорость в 26 км/с. Это значительно больше чем любой объект, запущенный человеком в космос на данный момент. Вояджер-1 – быстрейший объект, когда-либо созданный человеком, имеет избыточную скорость в 16,6 км/с. Так как ʻOumuamua уже покидает Солнечную систему, любой аппарат, запущенный в будущем, должен будет догонять этот астероид. Однако кроме научного интереса в получении данных об этом объекте, сама по себе задача его достижения может продвинуть современные космические технологии. Следовательно, проект Лира не только интересен с научной точки зрения на данный вопрос, но также и с точки зрения технологических вызовов. Рисунок 1 отображает логотип к проекту Лира:

В данной статье представлены некоторые результаты предварительного анализа различных концепций миссии к ʻOumuamua.

2. Анализ траекторий

С учетом гиперболической избыточной скорости и ее наклона относительно эклиптики солнечной системы первым вопросом для ответа является требуемое приращение скорости (DeltaV) для достижения объекта, ключевой параметр для проектирования двигательной системы. Очевидно, что более медленный космический корабль достигнет объекта позже, чем более быстрый космический корабль, что приведет к компромиссу между продолжительностью поездки и требуемым DeltaV. Кроме того, чем раньше запускается космический аппарат, тем короче продолжительность поездки, так как расстояние объекта увеличивается со временем. Однако дата запуска в течение следующих 5 лет, вероятно, будет нереалистичной, и даже 10 лет могут быть сложными, в случае необходимости разработки новых технологий. Следовательно, третий базовый компромисс — между датой запуска и временем отключения / характеристической энергией C3. Характерной энергией является квадрат гиперболической избыточной скорости, который можно понимать как скорость на бесконечности относительно Солнца. Эти компромиссы зафиксированы на рисунке 2. На рисунке представлена ?? характеристическая энергия для запуска в отношении продолжительности миссии и даты запуска. Предполагается импульсная силовая установка с достаточно короткой продолжительностью тяги. Планетарного или солнечного полета не предполагается, только прямой запуск к объекту. Можно видеть, что существует минимум C3, что составляет около 26,5 км/с (703 км^2 /с^2). Однако это минимальное значение быстро увеличивается, когда дата запуска переносится в будущее. В то же время большая продолжительность миссии приводит к уменьшению требуемого C3, но также предполагает встречу с астероидом на большем удалении от Солнца. Реалистичная дата запуска зонда будет в будущем не менее 10 лет (2027 год). В этот момент гиперболическая избыточная скорость уже составляет 37,4 км / с (1400 км^2 /с^2) с продолжительностью полета около 15 лет, что делает такую траекторию чрезвычайно сложно выполнимой при обычных запусках в отсутствие планетарного пролета.
    

Рисунок 2: Характеристическая энергия C3 относительно продолжительности миссии и даты запуска.

Помимо гиперболической избыточной скорости при запуске следует учитывать избыточную скорость относительно астероида при столкновении (V∞,2), поскольку он определяет тип миссии, которая возможна. Высокая избыточная скорость относительно астероида уменьшает продолжительность полета, но также уменьшает время, доступное для наблюдений вблизи межзвездного объекта. С другой стороны, низкое значение для V∞,2 может даже позволить переход на орбиту вокруг астероида с импульсным или малым маневром для замедления зонда. Избыточная скорость при прибытии изображена на рисунке 3 в зависимости от даты запуска и продолжительности полета. Деформации кривых скорости обусловлены орбитой Земли вокруг Солнца, что приводит к более или менее благоприятному положению для запуска по направлению к объекту. Можно видеть, что минимальная избыточная скорость около 26,75 км/с подразумевает запуск в 2018 году и длительность полета более 20 лет. Такое значение избыточной скорости не запрещает переход на орбиту вокруг 'Oumuamua. Однако это минимальное значение быстро увеличивается для более поздних дат запуска. Реалистичная дата запуска зонда будет от 5 до 10 лет в будущем (с 2023 по 2027 год). В этот момент требуемая гиперболическая избыточная скорость для миссии составляет от 33 до 76 км/с для продолжительности полета от 30 до 5 лет. Эти значения сильно превышают текущие возможности химической и электрической силовой установки для замедления и перехода на орбиту вокруг 'Oumuamua.

  
Рисунок 3: Гиперболические избыточные скорости относительно продолжительности полета и даты запуска

На рисунке 4 показано приблизительное расстояние, на котором космический корабль перехватит объект. Для реалистичной даты запуска 2027 года или позже, космический аппарат пролетает мимо объекта на расстоянии от 100 до 200 А от Земли, что похоже на расстояние до зондов Вояджера сегодня. На таком расстоянии очевидно, что электроснабжение и связь становятся проблемой, и требуются ядерные источники энергии, такие как РИТЭГ.
   

Рисунок 4: Дата запуска и продолжительность миссии. Цветовой код указывает расстояние, на котором космический корабль передает объект
     
На рисунке 5 показана траектория образца с датой запуска в 2025 году. Орбиту Земли можно увидеть как крошечный эллипс вокруг Солнца (обозначенный как черный круг) в правом нижнем углу рисунка. Траектории астероида и космического корабля являются почти прямыми.
  

Рисунок 5: Пример траектории космического корабля для запуска в 2025 году и встреча с 1I / 'Oumuamua в 2055 году
   
Другое предложение — не обязательно преследовать 'Oumuamua, но подготовить к тому, чтобы следующий межзвездный объект проник в нашу солнечную систему, развивая средства для быстрого запуска космического корабля к такому объекту.
   
Проанализированы два сценария: сначала миссия с короткой продолжительностью всего лишь год, что приведет к встрече всего 5,8 AU с Солнца. Однако требуемая гиперболическая избыточная скорость может достигать скорости около 20 км / с. Наконец, из-за угла столкновения ожидается высокая скорость относительно астероида, составляющая 13,6 км/с, как показано на рисунке 6.
   

Рисунок 6: Траектория для запуска в 2017 году и встреча в 2018 году
   
Миссия в ту же дату запуска, но с продолжительностью 20 лет, показана на рисунке 7. При столкновении относительная скорость космического корабля относительно объекта относительно невелика (около 600 м/с для этого конкретного случая), что быть возможностью для замедления маневра и перехода на орбиту вокруг 'Oumuamua.
    

Рисунок 7: Траектория для запуска в 2017 году и встреча в 2037 году
   
Резюмируя, трудность достижения 'Oumuamua — это функция запуска, гиперболической избыточной скорости и продолжительности миссии. Будущим разработчикам миссий необходимо найти соответствующие компромиссы между этими параметрами. Для реалистичной даты запуска через 5-10 лет гиперболическая избыточная скорость составляет от 33 до 76 км/с со встречей на расстоянии далеко за пределами орбиты Плутона (50-200 ае).

3. Концепции и технологии

Как показано выше, преследование 'Oumuamua с реалистичной датой запуска (следующие 5-10 лет) является серьезной проблемой для современных космических систем. Номинально возможна архитектура запуска, используя Space Launch System (SLS), например, что упростило бы разработку миссии. Однако другие пусковые провайдеры также предлагают перспективные возможности в ближайшие несколько лет. Одна из потенциальных возможностей — использовать ракету Big Falcon (BFR) SpaceX с заправкой верхней ступени в космосе с датой запуска в 2025 году. Для достижения требуемого гиперболического избытка (не менее 30 км/с) необходим облет Юпитера в сочетании с близким проходом около Солнца (до 3 солнечных радиусов), по прозвищу «solar fryby». Этот маневр также известен под «Обертом маневром» [5]. Архитектура предложена Keck Institute for Space Studies (KISS) ^[16] [6] и Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory или JPL) ^[17] [7] для исследования межзвездных астероидов. Однако использование BFR устраняет необходимость в многочисленных гравитационных манёвров для создания импульса, необходимого на выход на траекторию к Юпитера. Вместо этого прямым запуском зонда с несколькими разгонными ступенями (с высокоэллиптической околоземной орбиты (Highly Eccentric Earth Orbit, HEEO( ^[18]), что позволяет получить скорость в 10 км/с для 18-месячного путешествия к Юпитеру и гравитационного манёвра у него, с последующим облётом Солнца (который необходим для смены эклиптики). Многослойная теплоизоляция защитит аппарат от солнечного излучения когда он включит свой твердотопливный двигатель с большой тягой в перигелии орбиты (высокая тяга нужна для максимизации эффекта Оберта). Расчёты группы исследования межзвёздной среды от Института космических исследований Кека (KISS) показали возможность достижения с существующими технологиями скорости в 70 км/с и перехват тела на дистанции 85 а.е. в 2039 году в случае запуска аппарата в 2025-м. Более сдержанные оценки всё равно позволяют осуществить миссию с достижением скорости в 40 км/с и перехватом объекта на расстоянии 155 а.е. в 2051 году. При большой скорости сближения аппарат выпустит ударный зонд, который должен поднять значительное облако газа, что может быть серьёзным вариантом для исследования состава астероида спектрометром прямо на месте.»
   
Вышеупомянутая архитектура подчеркивает неотложность, а не передовые методы. Использование более совершенных технологий, например, солнечные паруса, лазерные паруса и лазерное электрическое движение, может открыть дополнительные возможности для пролета или рандеву с 'Oumuamua. Ниже приводятся анализы первого порядка для солнечных и лазерных парусных миссий.
   
Для миссии с использованием солнечного паруса предполагается запуск с орбиты Земли с учетом времени на запуск от 3 до 4 лет. Требование скорости составляет ~ 55 км/с, что указывает на коэффициент освещенности для миссии 0,15 и характерное ускорение 0,009 м / с^2. Для этого требуется удельная нагрузка на парус порядка 1 г/м^2, современные материалы с легкими полезными нагрузками могут достигать 0,1 г/м^2. Учитывая это, при различных массах космических аппаратов, предполагающих парусную нагрузку до 1 г/м^2, приходим к значениям, указанным в таблице 1, для кругового и квадратного парусного парусника.
    

Таблица 1: Параметры солнечного паруса в отношении массы космического корабля
Масса космического корабля [кг] Площадь паруса [m^2] Ci

Наиболее практичный проект предполагает запуск через 4 года и массу корабля 1 кг и ниже.
   
Задачи на основе лазеров на парусах, основанные на технологии Stars Starshot «Прорывные инициативы» ^[15] [8-10], будут использовать лазерный луч 2,74 МВт с полным разгоном зонда до 55 км/с и запуском через 3,5 года (2021 год), ускоряя в течении 3000 с зонд массой около 1 грамма. Он достигнет 'Oumuamua примерно через 7 лет. С лазером 27,4 МВт можно было бы разогнать 10-граммовый зонд. Ещё большие массы космических аппаратов могут быть достигнуты за счет использования различных архитектур миссий, более низких скоростей ускорения и более длительной продолжительности полета. Однако при такой инфраструктуре с лазерным лучом можно было бы отправить сотни или даже тысячи зондов, как показано на рисунке 8. Такая распределенная архитектура с использованием роя зондов позволит собирать данные по более крупному объему поиска без ограничений одиночный монолитный космический корабль.

Здесь пока пробел. Заполняю.

Народ, прошу прощения, конец статьи при постинге куда-то пропал. К сожалению, бекапа нет, только черновик перевода. так что придётся терять время на восстановление потерянного.
Прошу прощения, в кратчайшее время заполню пробел.

4 Источники

[1] The International Astronomical Union — Minor Planet Center, MPEC 2017-V17 : New Designation
Scheme for Interstellar Objects, Minor Planet Electronic Circular. (2017).
www.minorplanetcenter.net/mpec/K17/K17V17.html ^[19] (accessed November 7, 2017).
[2] E. Mamajek, Kinematics of the Interstellar Vagabond A/2017 U1, (2017).
arxiv.org/abs/1710.11364 ^[20] (accessed November 5, 2017).
[3] J. Masiero, Palomar Optical Spectrum of Hyperbolic Near-Earth Object A/2017 U1, (2017).
arxiv.org/abs/1710.09977 ^[21] (accessed November 5, 2017).
[4] C. de la F. Marcos, R. de la F. Marcos, Pole, Pericenter, and Nodes of the Interstellar Minor Body
A/2017 U1, (2017). doi:10.3847/2515-5172/aa96b4.
[5] R. Adams, G. Richardson, Using the Two-Burn Escape Maneuver for Fast Transfers in the Solar
System and Beyond, in: 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference &
Exhibit, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Reston, Virigina, 2010.
doi:10.2514/6.2010-6595.
[6] L. Friedman, D. Garber, Science and Technology Steps Into the Interstellar Medium, 2014.
[7] L. Alkalai, N. Arora, S. Turyshev, M. Shao, S. Weinstein-Weiss, A Vision for Planetary and
Exoplanet Science: Exploration of the Interstellar Medium: The Space between Stars, in: 68th
International Astronautical Congress (IAC 2017), 2017.
[8] P. Lubin, A Roadmap to Interstellar Flight, Journal of the British Interplanetary Society. 69 (2016).
[9] A.M. Hein, K.F. Long, D. Fries, N. Perakis, A. Genovese, S. Zeidler, M. Langer, R. Osborne, R.
Swinney, J. Davies, B. Cress, M. Casson, A. Mann, R. Armstrong, The Andromeda Study: A
Femto-Spacecraft Mission to Alpha Centauri, (2017). arxiv.org/abs/1708.03556 ^[22] (accessed
November 5, 2017).
[10] A.M. Hein, K.F. Long, G. Matloff, R. Swinney, R. Osborne, A. Mann, M. Ciupa, Project
Dragonfly: Small, Sail-Based Spacecraft for Interstellar Missions, Submitted to JBIS. (2016).
[11] B. Streetman, M. Peck, Gravity-assist maneuvers augmented by the Lorentz force, Journal of
Guidance, Control, and Dynamics. (2009).
[12] M. Peck, Lorentz-actuated orbits: electrodynamic propulsion without a tether, NASA Institute for
Advanced Concepts, Phase I Final Report. (2006).
www.niac.usra.edu/files/studies/abstracts/1385Peck.pdf ^[23] (accessed April 18, 2016).
[13] J. Atchison, B. Streetman, M. Peck, Prospects for Lorentz Augmentation in Jovian Captures, in:
AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit, American Institute of
Aeronautics and Astronautics, Reston, Virigina, 2006. doi:10.2514/6.2006-6596.
[14] D. ANDREWS, R. ZUBRIN, Magnetic sails and interstellar travel, British Interplanetary Society,
Journal. (1990). www.lunarsail.com/LightSail/msit.pdf ^[24] (accessed April 16, 2016).
[15] N. Perakis, A.M. Hein, Combining Magnetic and Electric Sails for Interstellar Deceleration, Acta
Astronautica. 128 (2016) 13–20.
[16] P. Janhunen, Electric sail for spacecraft propulsion, Journal of Propulsion and Power. (2004).
arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/1.8580 ^[25] (accessed August 14, 2016).
[17] A. Shimazu, D. Kirtley, D. Barnes, J. Slough, Cygnus Code Simulation of Magnetoshell
Aerocapture and Entry System, Bulletin of the American Physical Society. (2017).

Народ, прошу прощения, конец статьи при постинге куда-то пропал. К сожалению, бекапа нет, только черновик перевода. так что придётся терять время на восстановление потерянного.
Прошу прощения, в кратчайшее время заполню пробел.

Автор: Valerij56

Источник ^[26]