Dragonfly, унікальна роботизована дослідницька місія НАСА, яка буде використовувати гвинтокрил для польоту наукової лабораторії навколо поверхні Титану, супутника Сатурна, продовжує проходити етапи попереднього проектування. Тривають розробка ротора та випробування корабля, а також попередні аналізи проектів (PDR) від Lockheed Martin щодо частин підсистеми їхніх контрактних елементів для Dragonfly.
Місія Dragonfly, запропонована Лабораторією прикладної фізики Університету Джона Гопкінса (APL), була обрана NASA для четвертого польоту за програмою New Frontiers 27 червня 2019 року.
Після прибуття на Титан Dragonfly самостійно літатиме від точки до точки дослідження через частину супутника Сатурна. Він використовуватиме вертикальні зльоти та посадки. Така можливість нещодавно вперше було випробувано на Марсі гвинтокрилим кораблем Ingenuity, який відправився на Марс разом із марсоходом Perseverance у 2020 році.
Dragonfly дозволить астробіологічній місії оцінити мікробну життєздатність Титана та вивчити його пребіотичну хімію. Мобільний характер місії дозволить брати проби з численних геологічно різноманітних місць.
Титан є основною ціллю для астробіологів через велику кількість складних хімічних речовин, багатих вуглецем, і факту існування рідких вуглеводнів на його поверхні. Рідкі вуглеводні мають можливість утворити пребіотичний первинний бульйон – провідну теорію про те, як життя вперше з’явилося на Землі.
Але щоб виконати свою місію, Dragonfly спочатку потрібно побудувати, а потім безпечно доставити на Титан.
Дістатися до Титану
Lockheed Martin є головним підрядником для проектування, виготовлення та випробувань крейсерського етапу Dragonfly, а також аерокорпуса, задньої оболонки та систем теплового захисту. Вони використовуватимуться під час крейсерської місії та на фазах входу, спуску та посадки (EDL). Аерокорпус частково захистить Dragonfly від екстремальних умов міжпланетного простору під час запланованого круїзу до Титану впродовж приблизно шести з половиною років. На цьому етапі планування розробникам місії доводиться мати на увазі той факт, що ракета-носій ще не визначена, і остаточно обрана ракета-носій буде визначати точний час проходження від Землі до системи Сатурна.
В будь-якому випадку, це буде довга дорога, і це створює певні складнощі в порівнянні з минулими місіями. «Одним із викликів цієї місії є те, що ми використовуємо загальне тепло, яке генерується енергетичною системою посадкового модуля, для обігріву всього космічного корабля», — сказав Дейв Бючер, керівник програми Dragonfly Lockheed Martin, в інтерв’ю NASASpaceflight. «Зі сторони обігріву та керування це тепло перекачується від посадкового модуля через аерооболонку й до крейсерського етапу. Крім того, на борту є радіатори та термоконтроль, які допомагають регулювати температуру різних елементів».
Тепло, що виділяється радіоізотопним термоелектричним генератором (RTG) Dragonfly, може потім розсіюватися в космосі радіаторами крейсерського етапу, якщо це не потрібно. І навпаки, радіатори можна вимкнути, якщо потрібно зберегти тепло.
Іншою важливою функцією крейсерського етапу буде зв'язок на далекій відстані з Землею. Круїзний етап буде оснащений антенами, здатними спілкуватися з мережею глибокого космосу (DSN) з необхідною швидкістю передачі даних, коли мова йде про відстань до Сатурна, яка становить мінімум 1,2 мільярда кілометрів з мінімальним часом затримки сигналу 66,7 хвилин в одну сторону. Тим не менш, комунікація буде контролюватися самою Dragonfly, оскільки гвинтокрил служить «мозком» місії навіть під час фази круїзу.
Крім того, швидкістю стабілізації обертання, положенням і орбітальними траєкторіями керуватимуть за допомогою серії двигунів. Ця силова установка також забезпечить точне вирівнювання з коридором входу в атмосферу Титана. Подібно до місій НАСА для посадки на Марс, Dragonfly здійснить прямий вхід в атмосферу Титана і не вийде на орбіту навколо Місяця або Сатурна заздалегідь.
Прибуття на Титан
Після етапу польоту, аерооболонка Lockheed Martin відокремиться від крейсерського етапу та захистить Dragonfly та різні системи посадки після входу в атмосферу Титану.
Незважаючи на те, що для Dragonfly буде використана конструкція аерокорпуса, схожа на конструкцію марсоходів, його характеристики входу в атмосферу Титана будуть значно відрізнятися від характеристик марсіанських аналогів. Згідно з Lockheed Martin, одним із цікавих елементів з точки зору планування EDL для Dragonfly є те, що атмосферний тиск Титана приблизно в півтора рази перевищує земний, що різко контрастує з тонкою атмосферою Марса, якщо порівнювати її з Землею. «Крім того, гравітація на Титані не така ж, як на Марсі; це приблизно одна восьма g, тоді як Марс становить приблизно три восьмих g. Отже, у вас низька гравітація та щільна атмосфера», — розповів Бючер.
З цією метою базова конструкція аерокорпуса для режиму нагріву дуже схожа на ту, яку використовувала компанія Lockheed Martin під час минулих місій на Марс. Проте Lockheed Martin має розробити структурні компоненти аерокорпуса інакше, ніж для місій на Марсі, згідно запланованої маси Dragonfly і товщини та щільності атмосфери місця призначення.
«Структурні навантаження дещо відрізняються, і це частково пов’язано з масою корисного вантажу, тобто посадкового модуля, який ми привозимо, а також через наш кут атаки на планету, розмір парашутів і постійна динаміка його проходження через атмосферу», — пояснив Бючер.
Більш щільна атмосфера порівняно з марсіанською дозволяє місії сповільнитися сильніше під час аерогальмування. Це означає, що для приземлення на Титан потрібні менші парашути, ніж на Марсі. На Марсі послідовність EDL займає приблизно сім хвилин від входу в атмосферу до приземлення. Виходячи з поточних планів місії, посадка Dragonfly на Титан займе приблизно 105 хвилин.
«Ми повинні були подумати про температуру», — сказав Бючер. «Титан — кріогенний супутник. Отже, деякі з речей, які ми маємо оцінити, — це температура, яка має набагато більшу критичність, тому що ми висітимемо на парашуті набагато довше. Якщо це так, ми протримаємося на ньому близько півтори години проти приблизно двох хвилин на Марсі». Ці фактори викликали необхідність вивчення впливу теплового середовища на різні матеріали та елементи на частинах місії Lockheed Martin.
Ці дослідження також сприятимуть прийняттю рішень щодо того, що потрібно ізолювати, обігріти або повністю замінити на основі очікуваних теплових умов під час посадки на Титан.
Поточний статус
Перед початком загального попереднього аналізу проекту (PDR) місії в лютому компанія Lockheed Martin завершила попередній аналіз своїх підсистем для аерокорпуса, заднього корпусу та крейсерського етапу, а також завершила внутрішній аналіз для частини EDL місії. Процес PDR гарантує, що ранні проектні рішення відповідають загальним вимогам місії та безпеки.
Після цього, команди Lockheed Martin переходять до фази детального проектування різних структурних елементів, які потрібно буде виготовити та протестувати. Цього року також буде розпочато закупівлю матеріалів для польотів, і все це призведе до критичного огляду дизайну Lockheed Martin пізніше цього року.
Наразі місія Dragonfly планується запустити до червня 2027 року та прибути на Титан у 2034 році.
