Saturn Ring Observer (2006)

0

W 1610 roku wielki astronom i filozof – Galileusz – stał się pierwszym człowiekiem, który zaobserwował pierścienie Saturna. Jego teleskop nie był jednak wystarczająco silny, aby umożliwić mu zrozumienie natury tego, co dane mu było zobaczyć. W swoich zapiskach napisał, że „planeta Saturn nie jest samotna, lecz składa się z trzech [obiektów], które niemal stykają się, ale nie przemieszczają,  ani nie zmieniają pozycji względem siebie… środkowa (sam Saturn) posiada średnicę około trzykrotnie większą od bocznych [struktur].”. Odniósł  on się również bezpośrednio do dwóch obiektów towarzyszących Saturnowi, nazywając je „uszami”. Również Heweliusz odniósł się do nich w podobny sposób.

Niemal pół wieku później, holenderski astronom Christian Huygens ujawnił prawdziwą naturę saturnowych tworów. W 1655 roku napisał, że szósta planeta od Słońca „jest otoczona przez cienki, płaski pierścień, który w żadnym miejscu nie styka się z planetą i jest nachylony do płaszczyzny ekliptyki”. Dalsze obserwacje przeprowadzone przez Giovanni Cassiniego w 1675 roku pozwoliły ustalić, że pierścień Saturna w istocie składa się z koncentrycznych kręgów oddzielonych od siebie przerwami. Najbardziej widoczna z nich, znajdująca się pomiędzy wewnętrznym pierścieniem B oraz zewnętrznym pierścieniem A, stała się znana jako Przerwa Cassiniego. W 1859 roku, James Clerk Maxwell wykazał, że pierścienie nie mogą być strukturami o stałej budowie, ale raczej składają się z niezliczonej liczby drobin, z których każda porusza się niezależnie po orbicie Saturna niczym niezwykle mały księżyc. Teoria Maxwella została potwierdzona obserwacyjnie już w 1895 roku dzięki pracy Jamesa Keelera.

Badania kosmiczne Saturna rozpoczęły się wraz z misją Pioneer 11 i bliskim przelotem tej sondy w pobliżu tej gazowej planety w dniu 1 września 1979 roku. Blisko 3-metrowej długości, 259-kilogramowy pojazd opuścił Ziemię w 1973 roku i dzięki manewrowi asysty grawitacyjnej w pobliżu Jowisza, który wykonano 4 grudnia 1974 roku, wszedł na trajektorię prowadzącą do Saturna. Przechodząc przez płaszczyznę jego pierścieni w odległości około 21,000 kilometrów od planety, Pioneer 11 przetarł szlak dla kolejnych przelotów sond – Voyagera 1 oraz Voyagera 2. Voyager 1 przeleciał w pobliżu Saturna nieco więcej niż rok później – 12 listopada 1980 roku, ujawniając, że pierścienie Saturna składają się z ogromnej liczby wielu mniejszych kręgów, a także z przerw i małych księżyców pasterskich. Potwierdził on również, że jasny pierścień B jest naznaczony przez dziwne, ulotne „szprychy”. Przerwy i drobne pierścienie są rezultatem grawitacyjnego oddziaływania dużej liczby księżyców Saturna, szprychy jednak pozostały tajemnicą. Rok później (26 sierpnia 1981 roku) druga sonda – Voyager 2 – przeleciała w pobliżu Saturna i udała się w dalszą podróż do Urana i Neptuna.

Na kolejnego gościa wysłanego z Ziemi trzeba było czekać niemal cały saturnowy rok (26 lat ziemskich). W dniu 1 lipca 2004 roku, po przelocie przez szczelinę pomiędzy pierścieniami F i G z prędkością ponad 88 tysięcy kilometrów na godzinę, ważąca 5600 kilogramów sonda kosmiczna Cassini uruchomiła swój silnik główny na 96 minut, dzięki czemu mogła zwolnić i zostać pochwycona przez grawitację Saturna oraz wejść na jego orbitę eliptyczną. Cassini wykazał, że pierścienie, których średnia grubość wynosi zaledwie 10 metrów i zawiera cząstki o wielkości od jednego centymetra do 10 metrów średnicy, są złożone niemal w całości z lodu wodnego i otacza je cienka „atmosfera”.

Misja sondy Cassini wciąż trwa; pierwszego lipca 2008 roku, misja pojazdu wielkości niewielkiego autobusu uzyskała zgodę na jej przedłużenie o kolejne dwa lata, który to etap nazwano Cassini Equinox Mission. Naukowcy i inżynierowie zgłosili następnie propozycję dalszego przedłużenia misji do 2017 roku w celu obserwacji zjawisk sezonowych w systemie Saturna przez niemal połowę trwania jego saturnowego roku, która została zaakceptowana jako Cassini Solstice Mission. Planowane obserwacje zjawisk zawierałyby także rejestrację wspomnianych wcześniej szprych, które występowały nielicznie gdy Cassini dotarł do Saturna, choć obecnie stają się coraz bardziej powszechne wraz z tym jak planeta i jej system pierścieni zbliża się powoli do równonocy.

Jeśli inżynierowie JPL Robert Abelson i Thomas Spilker postawią na swoim, kolejna misja udającą się do Saturna skoncentruje się wyłącznie na systemie jego pierścieni. Spilker jako pierwszy zaproponował budowę sondy Saturn Ring Observer (SRO) w 2000 roku. Tymczasem praca napisana przez Abelsona i zaprezentowana w lutym 2006 roku podczas trwania Space Technology and Applications International Forum (STAIF) w Albuquerque, poszerzyła ją i rozwinęła studium do właściwej postaci misji koncepcyjnej.

Pojazd SRO Abelsona i Spilkera miałby opuścić Ziemię pomiędzy rokiem 2015 i 2020, przelecieć w pobliżu Wenus, Ziemi (dwukrotnie) oraz Jowisza w celu wykorzystania manewrów asysty grawitacyjnej, aby oszczędzić paliwo i osiągnąć Saturna w 2030 roku. W przeciwieństwie do swoich poprzedników – sond Pioneer 11, Voyager 1 i 2 oraz Cassiniego, które z powodu obaw o zderzenia z drobinami pierścieni spędzały jak najmniej czasu w ich pobliżu, pojazd SRO przemieszczałby się w pobliżu pierścienia B, Przerwy Cassiniego oraz pierścienia A przez okres jednego roku ziemskiego. Umożliwiałby to 981-kilogramowy zapas paliwa oraz „zaawansowany, autonomiczny system unikania zderzeń” zdolny do wykrywania i wymijania cząstek pierścienia.

Pojazd SRO zostałby wystrzelony na szczycie ciężkiej rakiety nośnej nowej generacji, umożliwiającej wysłanie 28,000 kilogramów na trajektorię prowadzącą do Wenus. Przez pierwsze 11 lat swojej misji – fazie przelotu – SRO składałby się z ważącej 4,648 kilogramów osłony kadłuba nośnego, otaczającej 12,227-kilogramowy stopień napędowy oraz 1,823-kilogramowy orbiter. Po osiągnięciu Saturna, pojazd wszedłby w górne warstwy atmosfery tej planety, zmniejszając swoją prędkość o 28 kilometrów na sekundę w ciągu 15 minut i pozwalając grawitacji pochwycić go na orbitę o parametrach 61 na 110 tysięcy kilometrów i będącej lekko nachylonej w stosunku do równika Saturna i płaszczyzny pierścieni. Po zakończeniu zadania osłona zostałyby odrzucona, odsłaniając stopień napędowy i orbiter po raz pierwszy od momentu wystrzelenia.

Dwie godziny po manewrze hamowania, cztery silniki rakietowe wykorzystujące napęd chemiczny i zainstalowane na module napędowym zostałyby uruchomione na okres dwóch godzin, aby pozwolić sondzie na zajęcie orbity kołowej o wysokości 110,000 kilometrów. Spowodowałoby to umieszczenie pojazdu w pobliżu środka pierścienia B. Stopień napędowy po wyczerpaniu zapasów swojego paliwa zostałby odłączony, a orbiter rozłożyłby swoje osiem instrumentów naukowych oraz sterowalną, kierunkową antenę wysokiego zysku o średnicy około dwóch metrów.

Abelson i Spilker wyjaśnili, że 129-kilogramowy pakiet instrumentów zostałby dostosowany do badań „interakcji cząstek pierścienia z centymetrową dokładnością”, księżyców pasterskich, pierścieniowej „atmosfery” oraz środowiska elektromagnetycznego systemu pierścieni. Wspomnieli także, że dane przesłane przez SRO miałyby zastosowanie nie tylko w przypadku badań pierścieni Saturna, ale również dla zrozumienia innych podobnych systemów, a także dysków protoplanetarnych odległych gwiazd.

Nuklearny system zasilania misji SRO składałby się z trzech generatorów radioizotopowych MMRTG (Multi-Mission Radioisotope Thermal Generators). Zainstalowane na orbiterze, zapewniłyby energię i ogrzewanie zarówno dla stopnia napędowego oraz orbitera podczas lotu do Saturna, jak również dla samego orbitera i jego pakietu instrumentów naukowych, które zwykle posiadają duże wymagania energetyczne. Generatory zapewniałyby zasilanie także dla systemu komunikacyjnego wysokiej przepustowości, już po wejściu SRO na orbitę Saturna. Abelson i Spilker rozważali również system zasilania złożony z czterech generatorów radioizotopowych z cyklem Stirlinga (Stirling Radioisotope Generator). System oparty o jednostki tego typu byłby bardziej korzystny, ponieważ generowałby mniej nadmiarowego ciepła – rzecz nie bez znaczenia w trakcie manewru hamowania aerodynamicznego, kiedy system zasilania nie byłby w stanie wypromieniować ciepła w przestrzeń kosmiczną. Z drugiej strony jednak, wymagałby użycia turbin, które mogłyby wprowadzać wibracje i przeszkadzać instrumentom naukowym pojazdu SRO.

Najbardziej nowatorskim elementem zaproponowanej przez Abelsona i Spilkera misji do Saturna miały być manewry wykonywane przez orbiter w pobliżu jego pierścieni. Na swojej początkowej orbicie kołowej, orbiter okrążałby planetę w ciągu 10 godzin, utrzymując się w tym samym położeniu względem pierścieni i badałby pobliskie cząstki stanowiące ich podstawę, jednocześnie samemu znajdując się poza ich „powierzchnią”. Co 2.5 godziny, czyli w czasie gdy jego lekko nachylona orbita zbliżyłaby pojazd na odległość około jednego kilometra od „powierzchni” pierścienia, skierowałby on swoje silniki w jego kierunku, a następnie uruchomiłby je na około dwie sekundy. Operacja przesunęłaby orbiter o około 0.4 kilometra dalej od pierścienia oraz zmieniłaby punkt w którym jego orbita przecinałaby ich powierzchnię o jedną czwartą drogi pojazdu wokół planety. Dodatkowe „przeskoki” mogłyby być wykonywane automatycznie jeśli orbiter wykryłby cząstkę pierścienia na kursie kolizyjnym.

Mniej więcej raz na tydzień, orbiter SRO wykonałby manewr oddalający go nieznacznie od planety. Pięćdziesiąt takich manewrów w ciągu jednego ziemskiego roku zabrałby go poza obszar Przerwy Cassiniego w pobliże środka pierścienia A, gdzie orbitowałby on w odległości 128,000 kilometrów okrążając planetę co 13 godzin i wykonując „przeskoki” co 3.25 godziny. Abelson i Spilker wyliczyli, że wkrótce potem zapas paliwa sondy zostałby wyczerpany. Z dużym prawdopodobieństwem misja zakończyłaby się podczas pierwszego przecięcia się trajektorii pojazdu SRO z pierścieniem A w kilka godzin po wyczerpaniu się zasobów materiałów pędnych, a jego poobijane szczątki stałyby się na stałe częścią systemu starożytnych pierścieni Saturna.

David S.F. Portree
Beyond Apollo blog

Na podstawie:
A conceptual Saturn Ring Observer mission using standard radioisotope power systems,” T. Spilker and R. Abelson; paper presented at the 2006 Space Technology and Applications International Forum, Albuquerque, New Mexico, February 12-16, 2006.

{module [346]}

Schemat pokazujący manewry 'skoków' wykonywanych przez pojazd SRO (Robert D. Abelson/Thomas R. Spilker)

Schemat przedstawiający koncepcję pojazdu SRO (Robert D. Abelson/Thomas R. Spilker)

Share.

Comments are closed.