Прыгающий робот на Плутоне — очередной фантастический проект для ближайшего будущего
В сообществе исследователей космоса циркулирует множество идей разной степени фантастичности о том, что можно было бы сделать в ближайшие десятилетия (или столетия) при наличии соответствующих возможностей. Некоторые из этих идей получают финансирование для дальнейшей разработки, тем самым обретая шанс на реализацию в будущем. Один из механизмов, помогающих эволюционировать от неприбыльных фантазий до технологий — это программа NIAC (NASA Institute of Advanced Concepts). В 2017 и затем в 2021 году грант на дальнейшее развитие получила концепция исследования Плутона, включающая десантирование на его поверхность спускаемого аппарата, который будет затем прыгать по его поверхности. Но даже если эта идея пройдёт все этапы до воплощения, научных результатов проекта мы дождёмся не ранее, чем через тридцать лет.
Проект должен решить два основных вопроса: как затормозить космический корабль после подлёта к Плутону и какой тип спускаемого аппарата будет подходящим для высадки на поверхность. Стандартное решение, которое предлагают для первого пункта в проектах исследования планет — торможение в атмосфере.
У Плутона есть разреженная атмосфера, что мы знаем по итогам исследования его аппаратпм «Новые Горизонты» — он пролетел мимо Плутона и его спутника Харона в 2015 году, направляясь дальше к малым телам пояса Койпера. У малых планет есть преимущество, которое позволяет более эффективно использовать их разреженную атмосферу — низкая сила притяжения. Благодаря этому атмосферная оболочка «растягивается» на значительное расстояние от поверхности планеты. Так, толщина атмосферы Плутона примерно в восемь раз превышает земную. Это означает, что спускаемый аппарат может начать торможение на большей высоте, и манёвр входа в атмосферу выполнить будет легче, чем на Земле или на Марсе.
Основная часть разработок проекта в фазе I NIAC как раз относилась к системе торможения в атмосфере Плутона. Систему торможения будущего плутонолёта назвали Enveloping Aerodynamic Decelerator (EAD). Вместе с посадочным модулем она составляет основную полезную нагрузку корабля — то, ради чего, собственно, он летит к Плутону. В качестве альтернативы можно рассмотреть орбитальный аппарат, а также другие разумные конфигурации миссии — благо она находится на стадии предварительных расчётов. Но на фазе II упор будет именно на посадочном аппарате.
После аэроторможения и падения скорости до нескольких десятков метров в секунду от круизной межпланетной скорости 14 км в секунду аппарат сядет на некоторое время на планету — он выкинет на поверхность «плутоноход» и стартует обратно в космос на своей тяге. Основной вопрос — конструкция того, что останется на планете.
Прыгающие роботы в последние годы стали популярной концепцией для исследования космических тел — от Луны до астероидов (например, см. недавнюю заметку о проекте исследования астероидов при помощи десятка прыгающих мини-роботов). Очевидные преимущества — они могли бы исследовать несколько удалённых друг от друга участков. Кроме того, уменьшаются проблемы обхода препятствий, с которыми десятилетиями борются марсоходы. На Марсе полтора года работал вертолёт-дрон Ingenuity, но для его функционирования необходима достаточно плотная атмосфера. Марсианский вертолёт для перемещения над поверхностью в условиях разреженной атмосферы должен был развивать скорость лопастей до 2000 об./мин, и через несколько десятков запусков в таком интенсивном режиме его лопасть ожидаемо сломалась.
Концепция прыгающего робота, напротив, использует самый популярный способ приведения в движение космического аппарата — реактивную силу. У него на борту будут размещены реактивные двигатели, которые помогут оторваться от поверхности, чтобы затем приземлиться в другой точке. Таким образом он сможет проводить научные наблюдения и на поверхности, и в полёте. Итоговый отчёт по работам фазы I NIAC включает несколько основных целей такой миссии, среди них — исследование геоморфологии планеты и проведение химических анализов. Авторы надеются, что в полёте и в промежутках между прыжками посадочному аппарату будет легче справиться с поставленными задачами, чем, скажем, колёсному плутоноходу. Помочь в этом должна слабая сила притяжения. Также авторы провели математические расчёты траектории, включая фазу аэроторможения и определили поля напряжений и деформаций, которые будут испытывать конструкционные материалы аппарата. В итоге, кроме параметров полёта к Плутону они прикинули возможную массу будущего аппарата, необходимое количество ракетного топлива на борту и его полезную нагрузку. Самое главное здесь, пожалуй, что цифры получились реалистичные и сопоставимые с современными возможностями космической промышленности. Так, масса посадочного робота, которую под силу доставить до Плутона, около 200 кг, и его необходимо снабдить всего 8 килограммами топлива для автономной работы.
В первоначальном проекте 2018 года для корабля предполагалось окно запуска в 2029 году. Несмотря на то, что проект в 2021 году получил грант NIAC для фазы II, 2029 год для запуска выглядит слишком оптимистичным. Аппарату потребуется гравитационный манёвр вокруг Юпитера для ускорения, поэтому с учётом взаимного расположения соответствующих планет следующее потенциальное окно запуска откроется только в 2042 году. А достигнет Плутона посадочный аппарат ещё сильно позже — аж в 2050-х годах. Поэтому при самых благоприятных обстоятельствах результатов такой космической миссии придётся ждать как минимум ещё тридцать лет.