Misja do Urana w stylu Galileo (2003)

0

Cztery największe i najbardziej masywne księżyce Jowisza, wymieniając je w kolejności pod względem ich odległości od planety, to Io, Europa, Ganimedes i Kallisto. Io i Europa tworzą parę o mniej więcej takiej samej wielkości; podobnie Ganimedes i Kallisto. Io posiada średnicę 3636 kilometrów, podczas gdy Europa, najmniejsza z czwórki, ma 3138 kilometrów. Ganimedes, największy księżyc w Układzie Słonecznym, mierzy 5262 kilometrów średnicy. Kallisto, księżyc Jowisza, który z tej czwórki jest najbardziej od niego oddalony, posiada natomiast średnicę wynoszącą 4810 kilometrów.

Obecność czterech dużych, masywnych księżyców, umożliwiła sondzie Galileo przeprowadzenie złożonych przelotów w systemie Jowisza począwszy od grudnia 1995 roku do września 2003 roku. W ciągu 34 wykonanych orbit wokół gazowego olbrzyma, Galileo wykorzystał manewry asysty grawitacyjnej wymienionych czterech księżyców do zmiany swojej orbity, nie zużywając przy tym cennego paliwa.

Saturn i Neptun natomiast posiadają tylko po jednym dużym, masywnym księżycu. Księżyc Saturna, Tytan, drugi co do wielkości w Układzie Słonecznym, mierzy 5152 kilometrów średnicy, podczas gdy księżyc Neptuna, Tryton, tylko 2706 kilometrów. Pojazd Cassini, który obecnie bada system Saturna, musi więc wykorzystywać Tytana do większości swoich manewrów asysty grawitacyjnej, co oznacza, że jest zmuszony w większym stopniu polegać na swoim ograniczonym zapasie materiałów pędnych aby przemieszczać się wewnątrz systemu tego gazowego giganta. Orbiter wysłany do Neptuna, który miałby do dyspozycji tylko Trytona w charakterze obiektu pozwalającego na wykonywanie manewrów asysty grawitacyjnej stanąłby w obliczu podobnych wyzwań.

W przypadku Urana, jego cztery największe i najbardziej masywne księżyce są stosunkowo niewielkie w porównaniu z Io, Europą, Ganimedesem, Kallisto, Tytanem i Trytonem. Tytania, największy z nich, mierzy zaledwie 1578 kilometrów średnicy. Inne to Ariel (1158 kilometrów) – najbliższy planecie księżyc; Umbriel (1169 kilometrów) i Oberon (1552 kilometry) – znajdujący się najdalej. Tytania obiega Urana pomiędzy Umbrielem, a Oberonem.

W artykule opublikowanym w czasopiśmie Journal of Spacecraft and Rockets, na krótko przed tym jak Galileo zakończył misję, Andrew Heaton z Centrum Lotów Kosmicznych im. Marshalla (NASA) i James Longuski z Uniwersytetu Purdue (Indiana) wykazali, że system Urana mógłby umożliwiać złożony układ przelotów w stylu misji Galileo. Było to, jak wyznali, „sprzeczne z intuicją … ponieważ satelity Urana są znacznie mniej masywne od Jowiszowych”. Wyjaśnili, że przeloty w stylu Galileo były jednak możliwe, ponieważ „kluczem do właściwego manewru asysty grawitacyjnej nie jest rozmiar satelity, ale stosunek jego masy do planety, którą obiega – a stosunek mas satelitów Urana w stosunku do niego samego jest zbliżony do obserwowanego w przypadku Jowiszowych księżyców i samego Jowisza”. Tytania i Oberon tworzą dużą, wewnętrzną parę, będącą ekwiwalentem Io i Europy. Naukowcy stwierdzili, że „satelity systemu Urana stanowią wręcz mniejszą replikę systemu Jowisza”.

Następnie opisali posiadającą trzy fazy, 811-dniową misję w systemie Urana. Po wystrzeleniu z Ziemi w marcu 2008 roku i wykonaniu manewru asysty grawitacyjnej w trakcie przelotu w pobliżu Jowisza we wrześniu 2009 roku, pojazd mający wykonać przeloty w systemie Urana uruchomiłby swoje silniki rakietowe by wejść na eliptyczną orbitę tej planety w lutym 2018 roku. Manewr rozpocząłby pierwszą fazę misji, która byłaby przeznaczona na dopasowanie nachylenia orbity sondy do płaszczyzny równika Urana i co za tym idzie jego pierścieni, a także księżyców.

Uran porusza się po swojej orbicie położony niemal „na boku” w stosunku do innych planet Układu Słonecznego, a jego księżyce posiadają orbity równikowe. Heaton i Longuski pisali, że system Urana wydawałby się ustawiony krawędzią pierścieni do Słońca w 2007 roku, a następnie kąt jego nachylenia stopniowo by się zwiększał do momentu, w którym planeta skierowałaby swój północny biegun w stronę Słońca w 2028 roku. Gdy pojazd misji dotarłby do Urana w 2018 roku, planeta byłaby nachylona pod kątem 13,6 stopnia w stosunku do Słońca. Sonda minęłaby księżyc Tytania jako pierwszy w odległości 316 kilometrów, co miało by miejsce w maju 2019 roku, pozwalając temu satelicie na zmianę płaszczyzny orbity pojazdu. Łącznie dziewięć podobnych przelotów w pobliżu Tytanii przez 261 dni pozwoliłoby statkowi kosmicznemu na zajęcie orbity o tym samym nachyleniu co równik Urana oraz orbity jego księżyców.

Drugi etap misji w systemie Urana – faza redukcji energii – miałaby za zadanie zredukować rozmiar orbity, zmniejszając także jej okres orbitalny, jednocześnie umożliwiając badanie czterech największych księżyców Urana. Te rozpoczęłyby się od przelotu w pobliżu Oberona na wysokości 414 kilometrów, co miałoby miejsce 287 dni po wejściu pojazdu kosmicznego na orbitę gazowej planety, a następnie byłyby kontynuowane w trakcie ośmiu przelotów obok Ariela, pięciu w pobliżu Umbriela, trzech koło Tytanii, a także czterech dodatkowych przelotów obok Oberona w przeciągu kolejnych 395 dni. Największe zbliżenia do satelitów miałyby miejsce w trakcie tej fazy misji; pojazd przeleciałby w odległości 54 kilometrów nad lodową powierzchnią Umbriela na początku swojej 14 orbity – niemal dokładnie w rok (364.3 dnia) po osiągnięciu Urana.

Heaton i Longuski nie zawarli intrygującego księżyca Miranda na swojej liście planowanych bliskich przelotów ponieważ orbituje on w bardzo niewielkiej odległości od Urana i posiadając średnicę tylko 470 kilometrów jest o połowę mniejszy od Ariela, najmniejszego księżyca wykorzystywanego do wykonywania manewrów asysty grawitacyjnej. Odległość do gazowej planety i niska masa oznaczałyby, że Miranda mogłaby się w bardzo niewielkim stopniu przyczynić do kształtowania przelotów sondy kosmicznej w systemie Urana. Można by jednak przypuszczać, że pojazd wykonywałby obrazowanie Mirandy jeśli tylko jego trajektoria pozwalałaby na stosunkowo bliski przelot w pobliżu tego ciała.

Trzecia faza misji rozpoczęłaby się przelotem w niewielkiej odległości od Umbriela na wysokości 151 kilometrów po 691 dniach od przybycia sondy do Urana. Celem trzeciej fazy misji byłoby umieszczenie sondy na orbicie Ariela. Dzięki trzem dodatkowym przelotom obok Umbriela oraz czterem koło Tytanii, w przeciągu 120 dni pojazd wszedłby na orbitę niemal identyczną z orbitą Ariela, zmniejszając prędkość w stosunku do swojego celu o nieco mniej niż jeden kilometr na sekundę. Następnie pojazd kosmiczny mający badać system Urana uruchomiłby swoje silniki rakietowe by wejść na orbitę wokół Ariela.

David S.F. Portree
Beyond Apollo blog

Na podstawie:
“Feasibility of a Galileo-Style Tour of the Uranian Satellites,” A. Heaton and J. Longuski, Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 40, No. 4, July-August 2003, pp. 591-596.

{module [346]}

Pięć księżyców Urana stanowi interesujący cel dla misji eksploracyjnej, choć do zastosowania w manewrach asysty grawitacyjnej nadają się tylko cztery największe (NASA)

Schemat pokazujący zmianę ustawienia Urana w stosunku do Słońca pomiędzy 1965 a 2028 rokiem (NASA)

Share.

Comments are closed.