Jupiter Icy Moons Orbiter — Вікіпедія

Орбітальний апарат Крижані Місяці Юпітера (англ. Jupiter Icy Moons Orbiter, JIMO) — космічний апарат, запропонований НАСА i призначений для вивчення льодових місяців Юпітера.

Місія переслідувала три головні наукові цілі:

Розвідати можливий потенціал для підтримки життя на цих місяцях. Що могло б включати визначення того, чи дійсно у лун є підземні океани; картографування органічних сполук та інших хімічних речовин, що представляють біологічний інтерес на поверхні; і визначення товщини крижаного покриву з акцентом на пошук можливих місць висадки в майбутньому.
Вивчення походження і еволюцію цих місяців. Це буде включати визначення їх внутрішніх структур, характеристик поверхні і складу поверхні, щоб інтерпретувати їх еволюційну історію (геологія, геохімія, геофізика) і то, як це пролило світло на розуміння походження й еволюції Землі.
Визначення радіаційну середу навколо цих супутників і швидкість, з якою вивітрюються через попадання космічного матеріалу на їх поверхні. Каллісто, Ганімед і Європа обертаються по орбіті в потужної магнітної середовищі, навколишнього Юпітер. Вони демонструють різні ефекти природного випромінювання, заряджених частинок і пилу в цьому середовищі. Розуміння цього середовища має значення для розуміння того, чи могло життя виникнути на цих далеких місяцях.

Космічний корабель JIMO[ред. | ред. код]

Пропонований базовий варіант космічного корабля включав в себе електричну іонну тягу. Місія НАСА Deep Space 1, Хаябуса, Dawn успішно продемонстрували іонну тягу для міжпланетних подорожей, споживали електрику для своїх двигунів від сонячних батарей. Орбітальний апарат Jupiter Icy Moons Orbiter, оснащений більш досконалої апаратурою, що летить далі від Сонця, буде приводити в дію свої іонні двигуни ядерним реактором і системою перетворення тепла реактора в електрику. Це може дати кораблю більш ніж в 100 разів більшу потужність, чим не ядерна система порівнянного ваги.

Конструкція корабля передбачала розміщення реактора в носовій частині космічного корабля за потужним радіаційним екраном, що захищає чутливе обладнання космічного корабля. Реактор буде включений тільки після того, як зонд буде видалений з орбіти Землі, так що кількість радіонуклідів, які повинні бути виведені на орбіту, буде мінімальним.

Корабель повинен був нести радарний прилад для картування товщини поверхневого льоду і лазерний прилад для картування підвищень в поверхні каморі, інфрачервоний формувач зображення, магнітометр і інструменти для вивчення заряджених частинок, атомів і пилу, з якими космічний корабель стикається біля кожної місяця. Потужне джерело електроенергії, доступний від бортової ядерної системи може працювати з більш потужними приладами, ніж на інших космічних кораблях, і підвищить швидкість передачі даних назад на Землю. Розширені наукові можливості дозволять нанести на карту всю поверхню Каллісто і Ганімеда і більше половини Європи з достатньою деталізацією, щоб можна було побачити деталі розміром з будинок.

Місія Europa Lander Mission запропонувала включити в JIMO невеликий апарат, що спускається Europa з ядерною установкою. Він буде подорожувати з орбітальним апаратом, який також буде виконувати функцію ретранслятора зв'язку з Землею. Він буде досліджувати населеність Європи і оцінювати її астробіологіческіх потенціал, підтверджуючи існування і визначаючи характеристики води всередині і під крижаною оболонкою Європи.

Ескізні проектні завдання[ред. | ред. код]

Повна маса на навколоземній орбіті: 36375 кг
Маса ксенонового палива: 12000 кг.
Маса реакторного модуля: 6182 кг (потужність 200 кВт)
Суха маса модуля КА: 16193 кг.
Маса наукової корисного навантаження: 1500 кг.
Електричні турбогенератори: кілька 104 кВт (440 В змінного струму)
Розгорнутий радіатор: площа поверхні 422 м²
Іонні двигуни NEXIS потужністю 27 кВт (місія Prometheus 1 / JIMO)
Двигуни Холла: велика потужність, велика тяга
Лінія зв'язку: 10 Мбіт / с (4 × 250 Вт TWTA)
Розгорнутий розмір: довжина 58,4 м × ширина 15,7 м
Розмір в похідному стані: довжина 19,7 м × ширина 4,57 м
Термін служби проекту: 20 років
Дата запуску діє до: 2017 р
Ракета-носій: Delta IV Heavy
Вартість: 16 млрд доларів без урахування запуску

Ядерна рухова установка та інші пристрої[ред. | ред. код]

Було проведено аналітичне дослідження для порівняння варіантів конструкції енергосистеми реактора, яка може бути використана в місії Jupiter Icy Moons Orbiter з ядерної електричної рухової установкою. Результуюча концепція використовує реактор з рідкіснометалевим охолодженням і перетворення енергії по замкнутому циклу Брайтона. Для дослідження була прийнята концепція реактора з рідкіснометалевим охолодженням, хоча життєздатними альтернативами є реактори з тепловими трубками і з газовим охолодженням. Система перетворення енергії складається з двох незалежних перетворювачів Брайтона, кожен з яких здатний забезпечувати повну проектну вихідну потужність. Підхід «пакетної» компонування був кращий з-за меншого діаметра поперечного перерізу. Це дозволило розташувати блоки Брайтона ближче до реактора, щоб мінімізувати довжину інтерфейсних трубопроводів без негативного впливу на половину кута екрану і масу екрану. Загальна збірка з двома блоками по 100 кВте мала діаметр 1,8 м в поперечному перерізі і 2,6 м в довжину. Вплив крутного моменту Аналіз першого порядку був виконаний з використанням програми Simulink, щоб зрозуміти вплив наведеного крутного моменту від обертового обладнання на динаміку транспортного засобу.

Конструкція перетворювача заснована на сучасній конструкції гарячого контуру з суперсплавів, що допускає температуру на вході в турбіну 1150 K і ККД циклу більше 20 %. Аналіз циклу припускав, що ККД компонентів становить 90 % для турбіни, 80 % для компресора і 92 % для генератора змінного струму, і ККД рекуператора встановлений на рівні 95 %. Загальна втрата тиску в газовій системі була прийнята на рівні 5 %. Втрати від газу в підшипниках і генераторі були оцінені в 2,5 і 3,4 кВт відповідно, а загальні втрати в ізоляції були оцінені в 16,4 кВт. Розрахунковий ККД циклу Брайтона становив 21,7 %, а загальний наскрізний ККД енергосистеми становив 20,2 %, в результаті чого необхідна теплова потужність реактора складала 496 кВт.

Зрізаний конічний радіаційний щит із напівкутом 10 градусів послаблює випромінювання реактора до 25 крад-кремній-гамма-дози та флюенсу 1 × 10¹¹ нейтронів / см² (на основі 1-МеВ еквівалентного пошкодження кремнію) при корисному навантаженні, розташованому в 30 м. Загальна кумулятивна доза гамма-випромінювання в дозової площині електроніки для приблизної 12-річної місії JIMO оцінюється в 4,3 Мрад-Si, в той час як загальний флюенс нейтронів оцінюється в 6 x 10¹² нейтронів / см² на основі еквівалентних ушкоджень кремнію 1 МеВ і 2,5 мм алюмінієве екранування електроніки. Таке радіаційний вплив виходить далеко за рамки сучасного рівня розвитку радіаційно-стійких надпотужних компонентів блоку розподілу енергії.

Трифазний генератор виробляє 105 кВт при 45 000 об / хв, 600 В змінного струму і 1,5 кГц. Система розподілу енергії з ККД 95 % видає 100 кВт електроенергії на навантаження на відстані 30 м. Блок розподілу енергії включає в себе силову і керуючу електроніку, розподільний пристрій і кабелі. Також в комплект входить шунтирующий радіатор паразитного навантаження повної потужності і окремий радіатор терморегулювання блоку розподілу енергії. Номінально два блоки Brayton працюватимуть на 50 % потужності. Це досягається за рахунок експлуатації агрегатів при більш низьких оборотах ротора і тиску наддуву. Більш низька швидкість ротора призводить до зниження напруги генератора до 400 В змінного струму. Основною перевагою роботи агрегатів на часткової потужності є зниження термічних напружень і навантажень на підшипники.

Система управління і розподілу харчування забезпечує силову електроніку, електричні елементи управління, розподільний пристрій і кабелі для подачі 400 В змінного струму на електричну іонну рухову установку і 120 постійного струму вольт на шину космічного корабля.

Електрична силова установка включає 10 PPU (Power Processor Unit), та два іонних рушія з PPU. Підхід розподілу потужності PPU забезпечує значну надмірність та стійкість до несправностей. Концепція дизайну EP включає повний другий набір підрулювачів для компенсації зносу першого набору та два надлишкових підрулювача на комплект. Одночасно можна експлуатувати максимум вісім підрулювачів. Один модуль розподілювача енергії забезпечує перемикання живлення на всі 10 PPU при 400 В змінного струму та 12,5 кВт на канал. Під час роботи з повною потужністю (тобто 100 кВт) з обома блоками Брейтона, що працюють на 50 кВт, кожен модуль розподілювача енергії живить лише чотири з 10 каналів PPU. Якщо один пристрій Брейтона працює на 100 кВт, 8 з 10 каналів PPU живляться. PPU перетворює 400 В змінного струму на приблизно 4000 В постійного струму через трансформатор / випрямляч / фільтр для навантаження джерела живлення головної лінії.. Допоміжні навантажувачі рушія нижчої потужності (катоди, нагрівачі тощо) подаються через перетворювач змінного- постійного струму 120 В в PPU.

Профіль місії[ред. | ред. код]

На травень 2015 року заплановано три запуски LEO, щоб зібрати в два етапи передачі та зонд. Етапи передачі були розроблені для запуску зонда за його траєкторією до Юпітера під час запуску вікна, що тривав з кінця жовтня 2015 року до середини січня 2016 року.

Протягом першого місяця польоту основні конструкції зонда будуть розгорнуті, ядерний реактор активований, а силові двигуни випробувані. Міжпланетний політ тривав би до квітня 2021 р. (Іонні двигуни мали працювати дві третини часу).

Як тільки зонд опиниться в зоні впливу Юпітера, навігація стане більш складною і складною. Для виходу на орбіту зонд повинен був би використовувати маневри допомоги гравітації.

Місія закінчується космічним кораблем на науковій орбіті в Європі. Досліджувалися варіанти перенесення на орбіти, які не впливають на Європу протягом тривалого періоду (> 1000 років), але для перенесення потрібно більше палива і більше часу в середовищі з високим випромінюванням на Юпітері. Остання опорна траєкторія задовольняє всі застосовні вимоги. Доставлена маса включає розміщення корисного навантаження масою не менше 1500 кг. Вихід до орбіти Юпітера відбувається 5,4 року після виведення з землі. Наукові дослідження підтримуються навколо Каллісто протягом 120 днів, Ганімеда протягом 120 днів та Європи протягом 60 днів.

Скасування[ред. | ред. код]

Через зміну пріоритетів в НАСА, що сприяло космічним місіям з екіпажем, проект втратив фінансування в 2005 році, фактично скасувавши місію JIMO. Серед інших питань, запропонована ядерна технологія була визнана занадто амбіційною, як і архітектура місій багаторазового запуску та збору на орбіті [5]. Інженери лабораторії реактивного руху з JIMO були звільнені або переназначені навесні та влітку 2005 року.

В результаті змін бюджету НАСА замість цього розглядає демонстраційну місію до цілі, розташованої ближче до Землі, для випробування реактора та систем відводу тепла. Космічний корабель також міг би бути зменшений із початкових розмірів. [Цитування]

Коли її було скасовано, місія JIMO знаходилася на початковій стадії планування, і її запуск не очікувався до 2017 року. Це мала бути перша запропонована місія проекту НАСА «Прометей», програми розвитку ядерного поділу на засіб космічного руху.

Після JIMO НАСА та ESA запланували спільну місію на супутники Юпітера — Європи. Цю місію також було скасовано в 2011 році.

З тих пір ESA продовжує працювати над цією розробкою окремо і 2 травня 2012 року обрала для фінансування місію Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) над двома іншими місіями ESA. Місія JUICE вивчатиме супутники Юпітера Європа, Каллісто та Ганімед і буде запущена як місія класу ESA L-класу в 2022 році на ракеті-носії Ariane 6.

Наприкінці 2010-х Europa Clipper став головною місією NASA до Європи із суттєвою різницею в тому, що вона буде працювати на сонячних батареях і братиме участь у кількох обльотах Місяця, а не навколо нього.

Список літератури[ред. | ред. код]

JOURNAL OF PROPULSION AND POWER Vol. 20, No. 5, September–October 2004
Abelson & Shirley — Small RPS-Enabled Europa Lander Mission (2005). (PDF). Retrieved on July 23, 2013
Europa Study Team (May 1, 2012),
Electric Propulsion Technology Development for the Jupiter Icy Moons Orbiter Project.^{[недоступне посилання]} NASA/TM—2004-213290, December 2004 AIAA–2004–3449.
Fundamentals of Electric Propulsion: Ion and Hall Thrusters [Архівовано 12 листопада 2020 у Wayback Machine.].
The Nuclear-Electric Pulsed Inductive Thruster (NuPIT): Mission Analysis for Prometheus