Исследование Плутона началось с прибытием зонда New Horizons в июле 2015 года , хотя предложения о такой миссии изучались в течение многих десятилетий. [1] Пока нет планов относительно последующей миссии, хотя концепции последующих миссий изучались. [2] [3]
Плутон, открытый Клайдом Томбо в 1930 году, является интересным объектом для изучения планет, однако его исследование сопряжено со значительными трудностями из-за его малой массы и большой удаленности от Земли.
В 1964 году Гэри Фландро из Лаборатории реактивного движения предложил миссию под названием Grand Tour , воспользовавшись тем фактом, что выравнивание планет в конце 1970-х годов позволило бы одному космическому аппарату посетить все внешние планеты, включая Плутон, используя гравитационные маневры . [4] Из-за стоимости миссия не была профинансирована, хотя выравнивание планет использовалось двумя зондами программы Voyager , запущенными в 1977 году.
Одной из многих возможностей для космического аппарата Voyager 1 после его пролета мимо Сатурна в 1980 году было использование Сатурна в качестве пращи к Плутону для пролета уже в марте 1986 года. [5] [6] Однако ученые решили, что пролет Титана во время встречи с Сатурном будет более важной научной целью, что сделало последующий пролет Плутона невозможным, поскольку близкое сближение с Титаном вывело его на траекторию, которая вывела бы его из плоскости Солнечной системы . [7] Поскольку в то время ни одно космическое агентство не планировало миссию к Плутону, он остался бы неисследованным межпланетными космическими аппаратами на долгие годы.
После успеха программы Voyager ученые-планетологи рассматривали Плутон как цель для следующей миссии. В 1980-х годах Роберт Фаркуар предложил добавить миссию к Плутону к предлагаемой миссии Solar Probe [8] , которая в то время должна была пролететь мимо Юпитера по пути к его солнечной встрече. Миссия получила название «Огонь и лед». Однако предложение не было принято.
В мае 1989 года группа ученых и инженеров, включая Алана Стерна и Фрэн Багенал, сформировала альянс под названием «Pluto Underground». Он был назван в честь Mars Underground, другой группы ученых, которая успешно лоббировала возобновление миссий на Марс после отсутствия таковых со времен программы Viking . Группа начала кампанию по написанию писем, целью которой было привлечь внимание к Плутону как к жизнеспособной цели для исследования. [9] В 1990 году из-за давления со стороны научного сообщества , включая Pluto Underground, инженеры NASA решили рассмотреть концепции миссии на Плутон. В то время считалось, что атмосфера Плутона замерзнет и упадет на поверхность зимой, и поэтому был желателен легкий космический корабль, поскольку он мог бы достичь Плутона до того, как произойдет такое событие. Одной из самых ранних концепций был 40-килограммовый космический корабль, который достиг бы Плутона за пять-шесть лет. Однако вскоре эта идея была отвергнута из-за невозможности миниатюризации научных приборов на борту такого космического корабля до таких размеров. [10]
Другая концепция миссии, известная как Pluto 350, была разработана Робертом Фаркухаром из Goddard Space Flight Center , совместно с Аланом Стерном и Фрэн Багенал из Pluto Underground, которые оба были исследователями проекта. Целью Pluto 350 была отправка космического корабля весом около 350 килограммов к Плутону. [11] Минималистичный дизайн космического корабля должен был позволить ему путешествовать быстрее и быть более рентабельным, в отличие от большинства других крупнобюджетных проектов, которые NASA разрабатывало в то время, таких как Galileo и Cassini . Однако Pluto 350 позже стал спорным среди планировщиков миссий в NASA, которые посчитали проект слишком маленьким и слишком рискованным. Сомнения относительно экономической эффективности были высказаны командой Фаркухара, поскольку Плутон только что прошел перигелий , что экспоненциально увеличило бы продолжительность миссии до того, как была бы окончательно определена дата запуска. Приблизительный наклон оси Плутона в 118 градусов означал, что южное полушарие не удалось бы сфотографировать, поскольку с наступлением зимы оно погрузилось во тьму, которая продлится десятилетия. [12]
Альтернативный план, который рассматривался в какой-то момент, состоял в том, чтобы отправить к Плутону конфигурацию космического корабля Mariner Mark II , который весил бы 2000 килограммов и стоил бы 3,2 миллиарда долларов США , что резко контрастировало бы со стоимостью Pluto 350 в 543 миллиона долларов. [10] В то время как оба проекта конкурировали за одобрение, Pluto 350 был более предпочтителен для планировщиков миссий NASA, которые начали принимать более мелкие миссии, такие как Mars Pathfinder и NEAR Shoemaker . [11]
В течение многих лет люди размахивали этой маркой как своего рода призывом к оружию, как мотивирующей графикой: «Еще не исследовано». К тому моменту эта марка уже была на стольких презентациях, что я знал, что людям будет приятно иметь ее с собой.
В октябре 1991 года Почтовая служба США выпустила серию марок, посвященных исследованию НАСА Солнечной системы. [13] В серии была марка для всех планет, на которой было изображение планеты и выделен связанный с ней космический корабль, отправленный к ней. Однако на марке для Плутона была изображена бесцветная сфера с надписью «еще не исследовано» вместо названия космического корабля. Марки были представлены на церемонии в Лаборатории реактивного движения .
Двое ученых, присутствовавших на мероприятии, президент Всемирного космического фонда Роберт Штэле и ученый из JPL Стейси Вайнштейн, были вдохновлены статусом Плутона на марке, так что они начали интересоваться осуществимостью отправки космического корабля к Плутону. [14] [15] Инженеры Лаборатории реактивного движения, вдохновленные статусом Плутона «еще не исследован», также начали выдвигать идеи о миссии к Плутону. [16] [17]
В августе 1992 года Штейл позвонил первооткрывателю Плутона Клайду Томбо , попросив разрешения посетить его планету. «Я сказал ему, что он может приехать», — вспоминал позже Томбо, — «хотя ему придется совершить одно долгое и холодное путешествие». [18]
В том же году Штэле с помощью инженеров JPL и студентов Калифорнийского технологического института сформировал проект Pluto Fast Flyby . Миссия провозгласила ту же идеологию, что и концепция Pluto 350: небольшой размер и экономически эффективный масштаб, чтобы космический корабль мог добраться до Плутона быстрее и был доступен в разработке и запуске. Описанная как «радикальная» концепция миссии, миссия должна была отправить к Плутону два космических корабля. Оба космических корабля должны были весить всего около 35-50 килограммов каждый (включая 7 кг научных приборов), а стоимость проекта составляла менее 500 миллионов долларов США на разработку, без учета затрат на запуск. [14] Описанный Штэле как «более быстрый, лучший [и] более дешевый» подход, чем проекты Pluto 350 и Mariner Mark II, он привлек внимание тогдашнего администратора НАСА Дэниела С. Голдина , который приказал прекратить все работы по Pluto 350 и Mariner Mark II и вместо этого перенаправить все ресурсы на новый проект Pluto Fast Flyby. [11]
Однако во время разработки Pluto Fast Flyby возникло множество опасений как со стороны NASA, администратора Голдина, так и со стороны команды разработчиков миссии. По мере того, как исследования и разработки миссии продвигались, размер, масштаб и бюджет проекта все увеличивались. Кроме того, моральный дух среди команды и персонала, работающего над межпланетными миссиями, был низким после потери космического корабля Mars Observer в августе 1993 года. Алан Стерн позже назвал это событие существенным фактором низкого энтузиазма по поводу проекта Pluto Fast Flyby. [10]
Космические аппараты должны были запускаться с помощью ракет Titan IV , каждая из которых обошлась бы в 400 миллионов долларов США, что увеличило бы бюджет до более чем 1 миллиарда долларов США. [11] Из-за растущих бюджетных ограничений концепция двух космических аппаратов была отменена в пользу отправки одного космического аппарата к Плутону. Однако проект все еще был слишком дорогим, по мнению администратора Голдина. [10] Алан Стерн, в качестве компромисса, достиг соглашения с учеными Российского института космических исследований в Москве, в котором Pluto Fast Flyby будет запущен на ракете Proton , что сэкономит NASA более 400 миллионов долларов США на расходах на запуск. Алек Галеев, глава Российского института космических исследований, достиг соглашения со Стерном, оговорив, что Россия включит атмосферный зонд, который поразит Плутон после изучения его атмосферы с помощью масс-спектрометра. [19] Предложение было передано администратору Голдину, но он наложил вето на предложение, рекомендовав вместо этого, чтобы JPL рассмотрела возможность запуска быстрого пролета Плутона на борту меньшей ракеты, такой как Delta II . [11]
В конце 1990-х годов было обнаружено несколько транснептуновых объектов , что подтвердило существование пояса Койпера . Интерес к миссии к поясу Койпера возрос настолько, что НАСА поручило JPL переназначить миссию не только на пролет мимо Плутона, но и на пролет мимо объекта пояса Койпера (KBO). Таким образом, миссия была переименована в Pluto Kuiper Express , после того как до пересмотра она недолгое время называлась Pluto Express. Вес космического корабля был снова увеличен, на этот раз до 175 килограммов, и НАСА предоставило дополнительную свободу в отношении бюджета проекта. [11]
Однако позже Голдин решил, что Pluto Kuiper Express не имеет большого значения, и поэтому резко сократил финансирование проекта. В конце концов, несмотря на официальный выбор научных инструментов и назначение нескольких исследователей, тогдашний Директорат научных миссий Эдвард Дж. Вайлер приказал отменить всю миссию к Плутону и поясу Койпера в 2000 году, сославшись на растущие бюджетные ограничения, которые преследовали проект с момента его создания в 1992 году. На момент отмены предполагаемые расходы превысили 1 миллиард долларов. [10] [20]
Отмена Pluto Kuiper Express разозлила часть научного сообщества по исследованию космоса, что привело к появлению таких групп, как The Planetary Society , лоббирующих NASA либо для перезагрузки Pluto Kuiper Express, либо для перезапуска миссии к Плутону. Внутренние разногласия в NASA, включая его Научный консультативный совет, также высказались в поддержку миссии к Плутону. [10] В ответ на негативную реакцию, вызванную отменой Pluto Kuiper Express, было решено открыть новый класс миссий, которые бы вписывались между высокобюджетной программой Flagship и низкобюджетной программой Discovery , создавая компромисс для таких миссий, как бывшая Pluto Kuiper Express, которая оказалась слишком дорогой для программы Discovery. Был проведен конкурс, в котором NASA должно было выбрать концепцию миссии для финансирования в рамках первой миссии программы New Frontiers . [20]
Орбитальный аппарат/посадочный модуль/миссия по возвращению образцов на Плутон были предложены в 2003 году. План включал двенадцатилетнее путешествие от Земли до Плутона, картографирование с орбиты, множественные посадки, зонд с теплой водой и возможное производство топлива на месте для еще одного двенадцатилетнего путешествия обратно на Землю с образцами. Энергия и движение будут поступать от бимодальной ядерной реакторной системы MITEE. [21]
После напряженной политической борьбы пересмотренная миссия к Плутону под названием New Horizons получила финансирование от правительства США в 2003 году. [22] New Horizons был успешно запущен 19 января 2006 года. Руководитель миссии С. Алан Стерн подтвердил, что часть праха Клайда Томбо, умершего в 1997 году, была помещена на борт космического корабля. [23]
New Horizons сделал свои первые (удалённые) снимки Плутона в конце сентября 2006 года во время испытания Long Range Reconnaissance Imager. [24] Снимки, сделанные с расстояния около 4,2 миллиарда километров, подтвердили способность космического корабля отслеживать удалённые цели, что критически важно для маневрирования в направлении Плутона и других объектов пояса Койпера. В начале 2007 года аппарат использовал гравитационный манёвр Юпитера .
4 февраля 2015 года НАСА опубликовало новые снимки Плутона (сделанные 25 и 27 января) с приближающегося зонда. [25] New Horizons находился на расстоянии более 203 000 000 км (126 000 000 миль) от Плутона, когда начал делать фотографии, на которых были запечатлены Плутон и его крупнейший спутник Харон. 20 марта 2015 года НАСА пригласило широкую общественность предложить названия для поверхностных особенностей, которые будут обнаружены на Плутоне и Хароне. [26] 15 апреля 2015 года Плутон был сфотографирован с возможной полярной шапкой. [27] В период с апреля по июнь 2015 года New Horizons начал передавать изображения Плутона, которые превосходили качество, которое мог получить космический телескоп Хаббл. [28] [29]
Малые луны Плутона, обнаруженные незадолго до и после запуска зонда, считались потенциально опасными, поскольку обломки от столкновений между ними и другими объектами пояса Койпера могли образовать разреженное пылевое кольцо. Если бы New Horizons пролетел через такую кольцевую систему, увеличился бы риск потенциального повреждения микрометеоритами . [30]
New Horizons приблизился к Плутону на максимально близкое расстояние 14 июля 2015 года — после 3462-дневного путешествия по Солнечной системе. Научные наблюдения за Плутоном начались за пять месяцев до самого близкого сближения и продолжались по крайней мере месяц после встречи. New Horizons использовал пакет дистанционного зондирования , включающий в себя инструменты визуализации и инструмент радионаучного исследования, а также спектроскопические и другие эксперименты, чтобы охарактеризовать глобальную геологию и морфологию Плутона и его спутника Харона, составить карту их поверхностного состава и проанализировать нейтральную атмосферу Плутона и ее скорость убегания. New Horizons также сфотографировал поверхности Плутона и Харона.
Фотографии Плутона, сделанные 14 июля 2015 года через 15 минут после максимального сближения New Horizon с расстоянием 18 000 километров и отправленные на Землю 13 сентября 2015 года, показывают почти закат на Плутоне с деталями поверхности и дымкой в атмосфере. [31] [32]
Никаких последующих миссий к New Horizons официально не планировалось, но были изучены по крайней мере две концепции миссий. В апреле 2017 года в Хьюстоне, штат Техас, состоялся семинар для обсуждения идей для последующей миссии. [33] Возможные цели, обсуждаемые группой для последующей миссии, включают картографирование поверхности с разрешением 30 футов на пиксель, наблюдения за меньшими спутниками Плутона, наблюдения за тем, как Плутон меняется при вращении вокруг своей оси, и топографическое картографирование регионов Плутона, которые покрыты длительной темнотой из-за его осевого наклона. Последняя цель может быть достигнута с помощью инфракрасных лазерных импульсов. По словам главного исследователя New Horizons Алана Стерна, «если мы отправим орбитальный аппарат, мы сможем картировать 100 процентов планеты, даже местности, которые находятся в полной тени». [33] Стерн и Дэвид Гринспун также предположили, что миссия орбитального аппарата могла бы искать доказательства подповерхностного океана, на который намекают данные New Horizons . [34]
Вскоре после пролета New Horizons Стерн предложил посадочный модуль Charon в качестве продолжения, который будет наблюдать Плутон с поверхности Харона. [35] Однако такой посадочный модуль будет наблюдать только обращенное к Харону полушарие Плутона, поскольку Плутон и Харон приливно заблокированы . После семинара в Хьюстоне Стерн изменил свое мнение, выступая вместо этого за орбитальный аппарат в стиле Cassini , который будет использовать гравитацию Харона для корректировки своей орбиты во время изучения Плутона и его лун. [35] Зонд может использовать электрическую тягу, похожую на миссию NASA Dawn . Затем у него будет возможность использовать гравитацию Харона, чтобы покинуть систему Плутона после того, как все научные цели Плутона будут выполнены, и изучить новые объекты пояса канав за пределами Плутона. Стерн предполагал, что зонд будет запущен в 2030 году, в ознаменование 100-й годовщины открытия Плутона, и проведет 7–8 лет в путешествии к системе Плутона.
Fusion-Enabled Pluto Orbiter and Lander был отчетом фазы I 2017 года, финансируемым программой NASA Innovative Advanced Concepts ( NIAC ). [3] [36] Отчет, написанный главным исследователем Стефани Томас из Princeton Satellite Systems, Inc., описывает миссию Direct Fusion Drive (DFD) к Плутону. Термоядерный реактор будет использоваться для отправки 1000-килограммового орбитального аппарата и посадочного модуля в систему Плутона всего за четыре года (в два раза быстрее, чем New Horizons ). [37]
Корпорация Global Aerospace представила концепцию посадочного модуля для Плутона под названием «Pluto Hop, Skip, and Jump» на симпозиуме NIAC 2017 года в Денвере, штат Колорадо. [38] [2] Концепция описывает спускаемый аппарат, который будет тормозить, используя сопротивление тонкой, но сильно разветвленной атмосферы Плутона. Оказавшись на поверхности Плутона, аппарат будет использовать низкую гравитацию Плутона для прыжков между участками с использованием топлива. Это похоже на концепцию Triton Hopper от NASA для исследования крупнейшего спутника Нептуна Тритона .
Еще одно предложение, поданное в НАСА в 2020 году, — это орбитальный зонд системы Плутона и Харона под названием «Персефона». [39] [40]
Он будет работать на 5 RTG , содержать несколько камер высокого разрешения и находиться на орбите 3 года. Ключевой целью будет определение наличия подповерхностного океана на Плутоне. Оценочная стоимость составит 3 миллиарда долларов.
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )