Уран – самая интересная планета?

[LeMay]

Странно что тут не обсуждали ещё...

  Вот тут обсуждали: Какие перспективы на ближайшее десятилетие в дальнем космосе?
 

Увеличившаяся стоимость уже реализуемых флагманских программ MSR и Europa Clipper может вынудить NASA откладывать новые проекты, несмотря на абсолютный исторический максимум финансирования науки, а ведь для старта в 2031 году проект Uranus Orbiter and Probe нужно начинать уже в 2024-м.

  От себя добавлю, что реалистичным видится в лучшем случае выделение средств на выполнение базовых рекомендаций нового обзора, то есть без Mars Life Explorer и Enceladus Orbilander, а старт Uranus Orbiter and Probe может "уехать" на середину 2030-х годов.

[slava03]

Авторы статьи https://arxiv.org/abs/2105.13663 по результатам моделирования полагают, что столкновение молодого Урана с каменным телом массой около 3 земных может объяснить большой угол наклона оси вращения современного Урана, формирование и состав его спутников

Давно же понятно, что формирование СС происходило совсем не по классическому сценарию формирования планетной системы в окрестностях звезды. Поэтому вопрос Урана следует рассматривать вместе со всем случаем космического катаклизма, произошедшего в нашей Солнечной Системе.

[Klapaucius]

Авторы статьи https://arxiv.org/abs/2105.13663 по результатам моделирования полагают, что столкновение молодого Урана с каменным телом массой около 3 земных может объяснить большой угол наклона оси вращения современного Урана, формирование и состав его спутников

Давно же понятно, что формирование СС происходило совсем не по классическому сценарию формирования планетной системы в окрестностях звезды. Поэтому вопрос Урана следует рассматривать вместе со всем случаем космического катаклизма, произошедшего в нашей Солнечной Системе.

Да, давно уже понятно. Гипотеза Джинса лет 50 господствовала в 20м веке. По ней  кроме солнечной системы ничего не могло быть в Галактике, никаких планет, статистически. Что на этот раз "давно понятно"?

[LeMay]

  Благодаря пользователю MRJC форума NSF нашлась интересная статья о проблемах Uranus Orbiter and Probe: https://www.spacescout.info/2024/01/uranus-aerocapture-new-solutions-for-old-problems/.
  Для многих межпланетных станций атмосфера является препятствием, которое следует опасаться или преодолевать, будь то необходимость в тяжелых обтекателях для полезной нагрузки, стресс процесса посадки или неизбежность падения с орбиты и завершения работы. NASA планирует в начале следующего десятилетия проект флагманского класса к Урану — UOP Orbiter and Probe (UOP), и проводимое исследование может превратить атмосферу в ценный актив не только для UOP, но и для многих других будущих проектов. Space Scout [имеется в виду автор] ранее подробно рассказывал о концепции миссии, но некоторые ключевые факты стоит повторить. Примечательно, что концепция космического аппарата основана на Europa Clipper с прямоугольным приборным отсеком, цилиндрическим отсеком и двигательной установкой. UOP также оснащен атмосферным зондом.
 
  Из очевидных отличий от Europa Clipper, пожалуй, самым большим является источник электроэнергии. В то время как на Юпитере можно использовать большие солнечные панели, на Уране солнечный свет более чем в 12 раз слабее. Следовательно, UOP должен использовать ядерную энергию в виде радиоизотопных термоэлектрических генераторов или РИТЭГ. Доступной моделью РИТЭГ является Next-Generation RTG Mod 1, в котором используется 9,6 кг плутония для выработки около 300 Вт энергии при запуске. Однако UOP требует три таких [генератора], а это означает, что запасы и производство плутония недостаточны для запуска в 2031 или 2032 году.

  Дата запуска этого исторического аппарата определяется траекторией UOP. На момент написания статьи планировалось использовать маршрут Земля-Юпитер (EJGA): аппарат совершает один пролёт Земли и затем один пролёт Юпитера. Однако Юпитер помогает добраться до Урана лишь в 2032-2035 годах из-за расположения планет. Ожидание [2044-2045 годов], когда маршрут снова станет возможным, приведет к недопустимой задержке проекта.

  Перед разработчиками проекта стоят две основные проблемы. Во-первых, это наклон оси системы [Урана]. Поскольку планета вращается под углом почти 90 градусов к плоскости своей орбиты, единственный случай, когда почти вся планета освещена одновременно, — это равноденствие, когда солнце светит прямо на экватор. Поскольку большинство спутников вращаются в плоскости экватора планеты, это также и единственный раз, когда аппарат может получить снимки большей части поверхности каждого спутника. Вне равноденствий, особенно во время солнцестояний, будет освещено только одно полушарие планеты и спутников в системе, и это полушарие не изменится до следующего равноденствия. Следующее равноденствие наступит в 2049 году и именно тогда должен прибыть UOP, чтобы иметь достаточно времени для завершения своего путешествия, прежде чем часть поверхностей планеты и спутников уйдёт во тьму еще на 42 года.

  Учитывая требования к освещённости и вероятность сдвига даты запуска за 2035 год из-за поставок РИТЭГ, медлительность вариантов перелёта без помощи Юпитера (которые потребуются после 2035 года) становится гораздо более серьёзной проблемой. Для достижения всех научных целей может потребоваться способ сокращения продолжительности полета без использования гравитации Юпитера.

  Другая важная проблема группы планирования проекта — сокращение времени полета по траекториям с более высокой энергией, что создает новые трудности. Чем быстрее полет, тем сильнее будет нужно UOP затормозить у Урана — процесс, называемый выведением на орбиту Урана (UOI). В текущих планах UOI составляет примерно 1 км/с и будет стоить почти 1900 кг топлива, или около 48% от общего запаса. Более быстрый подлёт и (естественно) больший объем траты топлива при UOI приведут к увеличению массы двигательной установки и потенциально запустят каскад убывающей полезной нагрузки. Кроме того, такая быстрая траектория может потребовать использования сверхтяжелой ракеты-носителя (SLS или Starship), что сопряжено с потенциальными проблемами с готовностью и стоимостью. Решение, требующее только тяжелого носителя (Vulcan-Centaur, New Glenn или Falcon Heavy), было бы гораздо более надежным и гибким, поскольку при необходимости оно могло бы легко работать с более крупными ракетами.

  В поисках потенциального решения этих проблем ученые из Исследовательского центра NASA имени Лэнгли обратились к изучению давно обсуждаемого, но никогда не опробованного нового метода выхода на орбиту: аэрозахвата. Это использование атмосферы планеты или спутника для замедления космического аппарата до выхода на орбиту. Это похоже на то, как многие современные марсианские аппараты сразу идут с межпланетной траектории на посадку, хотя в нашем случае целью является орбита, а не поверхность. Несмотря на гораздо меньшую интенсивность торможения, оно присутствует, поэтому все же требуется какой-то тепловой экран. Связанный, но отдельный маневр — это торможение на орбите с помощью верхних слоёв атмосферы, успешно применяющееся в марсианской атмосфере начиная с 1996 года. Использование очень неглубоких проходов через верхние слои атмосферы планеты для понижения уже существующей орбиты не обязательно требует специальной тепловой защиты, поскольку пребывание в атмосфере происходит неоднократно и ненадолго.

  Аэрозахват благодаря использованию атмосферы для гашения почти всей необходимой скорости значительно снижает потребность в топливе для вывода на орбиту. Манёвр торможения будет заменен включением двигателей в апоцентре для подъёма перицентра из атмосферы планеты, а также одним или несколькими небольшими включениями, чтобы перевести аппарат в нужное место для начала его путешествия по системе Урана. Эти включения больше, чем их эквиваленты, не связанные с аэрозахватом, но в целом все же сохраняется экономия благодаря устранению главного включения при торможении. Тогда орбитальный аппарат может стать намного меньше и легче, поскольку ему нужно меньше топлива и его можно будет отправить к Урану гораздо быстрее, чем раньше.

  Способ реализации аэрозахвата, если он будет выбран в рамках проекта UOP, все еще находится в стадии разработки. Первоначальная идея заключалась в использовании лобового экрана, аналогичного экрану марсохода Perseverance. Хвостовой обтекатель [также бывший у марсохода] исключает проверку приборов во время перелёта и может не потребоваться. Что касается материала TPS, из которого состоит лобовой экран (используемый на марсианских спускаемых аппаратах, спускаемых аппаратах, что возвращают образцы астероидов и комет, а также на коммерческих спускаемых аппаратах для низкой околоземной орбиты), в настоящее время лидером является конформный аблятор из пропитанного фенолом углерода (PICA-C), который похож на материал TPS, но во многом тоньше и легче, обеспечивая ту же тепловую защиту. Несмотря на необходимость использования теплового экрана, вход в атмосферу при аэрозахвате намного мягче, чем при входе для посадки, поэтому прогнозируется, что нагрев будет значительно меньшим [чем при посадке на Марс] и хвостовой обтекатель скорее всего не потребуется.

  Неполная готовность конструкции лобового экрана в настоящее время является недостатком. Форма UOP сильно отличается от всего, что до сих пор входило [в атмосферы], поэтому использование «готового» лобового экрана может быть не лучшим решением. Из-за того, что аэрозахват основан на изначально нестационарной атмосфере, он может иметь большие погрешности, особенно если учесть, насколько плохо известна атмосфера Урана. Это основная причина дополнительных включений двигателей, но неопределенность может потребовать высокого уровня устойчивости, а значит и потенциально высокого уровня запаса [прочности] для гарантии выхода на орбиту даже в худшем случае.

  Благодаря относительно хорошо изученному и определенному сценарию посадки на планеты управление [процессом аэрозахвата] может быть основано на марсианской программе и программе Apollo. После входа в атмосферу аппарат будет менять угол крена, чтобы успешно пройти [допустимый] коридор и выйти из атмосферы.

  Следующими шагами в области аэрозахвата являются доработка концепции лобового экрана и конструкции хвостового обтекателя (при необходимости) и получение более четкого понимания экономии массы и рентабельности. Результаты будут представлены на двух специальных сессиях научно-технической конференции AIAA в январе 2024 года, но эти статьи, скорее всего, не будут опубликованы сразу. Поскольку сам UOP должен перейти в фазу А в 2025 финансовом году, аэрозахват, несомненно, станет одной из ключевых концепций, обсуждаемых в рамках общей архитектуры проекта. Если это оправдает себя и будет успешно реализовано на UOP, многие проекты исследования Солнечной системы могли бы выиграть от использования аппаратов меньшего размера на более быстрых траекториях с более гибкими возможностями.

[Shandrik]

Уважаемые, а как там дела с Уран-Обритером - делают его? Идёт процесс?

[LeMay]

Уважаемые, а как там дела с Уран-Обритером - делают его? Идёт процесс?

  Не идёт. Рассматриваются различные варианты (на бумаге) без официального старта проекта. На данный момент процесс начнётся (если начнётся) не ранее FY2027 (финансового года). Возможно, что-то поменяется с новым руководством NASA и новым составом Конгресса в 2025 году.

[Кремальера]

Я помню что проект был весьма проработанный и с лэндером..Но из-за дефицита плутония для РИТЭГа сроки сдвигались.Однако прогресс в фотовольтаике сейчас очень большой,освещенность на орбите Урана как в земные сумерки сразу после захода солнечного диска за горизонт.,-может быть приспособят лопухи панелей побольше Juno и все..

[Golossvyshe]

Я помню что проект был весьма проработанный и с лэндером..Но из-за дефицита плутония для РИТЭГа сроки сдвигались.

Непонятно, отчего всё упёрлось в плутоний-238.
Имеется прекрасный изотоп стронций-90 (Т1/2=29 лет), мягкий бета-излучатель. Цезий-137 похуже, конечно (Т1/2=26,6 лет) из-за попутного гамма-излучения, но это же не кардиостимулятор. Технический уровень защиты обеспечить не составит особого труда.
Оба изотопа содержатся в отработанных ТВЭЛах атомных станций.

Возможно, дефицит плутония-238 просто отмазка? 

Однако прогресс в фотовольтаике сейчас очень большой,освещенность на орбите Урана как в земные сумерки сразу после захода солнечного диска за горизонт.,-может быть приспособят лопухи панелей побольше Juno и все..

Да, солнечные батареи у Урана – это по-настоящему жёсткое космопорно.

[Shandrik]

Однако прогресс в фотовольтаике сейчас очень большой,освещенность на орбите Урана как в земные сумерки сразу после захода солнечного диска за горизонт.,-может быть приспособят лопухи панелей побольше Juno и все..

Да, солнечные батареи у Урана – это по-настоящему жёсткое космопорно.

Навскидку в 16 раз больше площадь должна быть. Можно сделать Чебурашку, если шириной решать. 

[Klapaucius]

Навскидку в 16 раз больше площадь должна быть. Можно сделать Чебурашку, если шириной решать. 

Это по сравнению с окрестностями Юпитера 16, где Солнышко в 25 раз слабее чем у Земли. А у Урана получается в 400 раз. Вопрос конечно в массе, что легче: РИТЭГ или такие солнечные батареи.

Оба изотопа содержатся в отработанных ТВЭЛах атомных станций.

Так-то их выделяют и применяют, но по мелочи. Подозреваю что РИТЭГ построить будет гораздо дороже и он будет намного тяжелее. Да и период полураспада при полёте к далёкому Урану имеет не последнее значение. Плутоний десятилетиями в основном (недавно вновь появилось своё производство, но небольшое) закупали в России, чисто для РИТЭГов. Но сегодня похоже лавочка закрылась, хотя запрет возможно плутоний не затронет.

[библиограф]

Имеется прекрасный изотоп стронций-90     

Изотоп превосходный, просто замечательный, очень дешёвый, его выход при делении
урана 3.5% в реакторах накапливается тоннами, а выделение его из продуктов деления
не представляет ни малейших трудностей.
В изотопных генераторах его используют в виде титаната стронция, его объемное тепловыделение такое же, как у Рu238. В СССР такими генераторами оборудовались
маяки на Северном морском пути, на Балтике и на Тихом океане

    Возможно, дефицит плутония-238 просто отмазка?   

Читатель!
Что ни делай ты, тебя осудит кто-то,
Взглянув на дело с высоты куриного полета
 Самуил Маршак

А совершенно точно, что физики Golossvyshe не знает и свойства бета-лучей ему известны только по плакатам гражданской обороны -  там они поглощаются тонкой пластинкой алюминия.
Поэтому он не сумеет объяснить, зачем генератору Бета на Sr90(230 ватт тепловой мощности всего-то, электрической - смешные 10 вт) защита из полутонны
обедненного урана в оболочке из нержавеющей стали
На корпусе у него 80 мР/час - а когда вандалы, сдающие металл, вскрывают генератор,
то в метре от блока 700 р/час. Живут потом ещё несколько дней РИТЭГов по северам сломано множество,
а никого из грабителей не нашли - все умерли 

[библиограф]

 Вот и выходит, что единственная альтернатива Pu238 другой трансурановый изотоп Cm-244.
тоже альфа-излучатель с периодом полураспада 18 лет и удельным тепловыделением впятеро большим, чем у плутония.
Но Сm-244  ещё более труднодоступен, чем Pu-238, поэтому, ещё  дороже. $ 185 млн/кг
Для источников энергии планетоходов Pu-238 альтернативы нет, а вот для межпланетной
станции изотопный генератор можно вынести на длинной штанге, метров 100 длиной.
Расстояние - самая лучшая защита от радиации.
Это тоже была история - самый первый советский реактор Ф-1 был копией реактора СР-1,
построенного под руководством синьора Ферми на корте для игры в сквош на стадионе
в Чикаго. Американский реактор работал на мощности 200 ватт, безо всякой защиты,
потом его, из соображений безопасности, разобрали и переместили в Аргоннскую лабораторию.
Реактор Ф-1 использовали для получения первых миллиграммов плутония и разгоняли
до 3800 кВт
А здание, хоть и специально построенное,  тоже никакой защиты не имело, огромные окна, поэтому управление
осуществлялось из здания в 1.5 километрах.
Человеку относительно безопасно находится от реактора без защиты в 500 метрах.
С изотопным источником всё намного проще - если РИТЭГ создает уровень 1000 р/час
на расстоянии метра, то на 100 метрах уровень снизится в 10000 раз до вполне приемлемых
для электроники значений.
А 100 метровая раздвижная штанга из композита будет весить десятки- сотни кг, нагрузка на неё 
ничтожная.

[LeMay]

  Думал, что к моменту запуска проблемы с наличием плутония не будет - ан нет, пока опасения есть.
  Летом 2024 года после очередного семинара группа по предварительной разработке спутника Урана выдала очередной отчет: https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20240008090/downloads/SimonTheUranusUpdated.pdf.
  Доклады семинара: https://icegiants.jhuapl.edu/events/index.php?id=9

[Кремальера]

https://www.hou.usra.edu/meetings/opagjune2024/presentations/Wednesday/1435_Restrepo.pdf
Тут вот есть проработка прямой траектории для UOP ,без гравитационных маневров,используя Starship и SLS Block2 в качестве носителей.Шесть лет -и АМС уже у Урана.

Навскидку в 16 раз больше площадь должна быть.

Какая разница во сколько раз больше должна быть площадь,если вы используете Старшип как носитель? Как я понял,основная незаменимая фича РИТЭГа в данном случае-это вовсе не генерация электроэнергии..Вон.. можно было бы ванадиево-редоксную батарейку отправить-она может заряд и 15 лет держать..А тут главная проблема это обогрев электроники и аккумуляторов в том числе.

[Shandrik]

Навскидку в 16 раз больше площадь должна быть. Можно сделать Чебурашку, если шириной решать. 

Это по сравнению с окрестностями Юпитера 16

Да, сравнение было с Junoй.

[Golossvyshe]

Читатель!
Что ни делай ты, тебя осудит кто-то,
Взглянув на дело с высоты куриного полета
 Самуил Маршак

А совершенно точно, что физики Golossvyshe не знает и свойства бета-лучей ему известны только по плакатам гражданской обороны -  там они поглощаются тонкой пластинкой алюминия.

«Какой вы умный, прямо Ленин с Крупской» (с)
 
https://ru.ruwiki.ru/wiki/Радиоизотопный_термоэлектрический_генератор
держите и наслаждайтесь.

Да, стронций-90 имеет неприятный побочный эффект, в отличие от плутония-238. Однако ещё раз – ТЕХНИЧЕСКИЙ уровень защиты не составит большого труда. Неудобство работы с «голым» РИТЭГом (после его установки на аппарат – только дистанционно) не может служить непреодолимым препятствием и окупается низкой ценой.
Но даже если создателям придёт блажь установить БИОЛОГИЧЕСКИЙ уровень защиты, то лишние полтонны (а то и меньше, если подумать) никак не испугают нынешних ракетчиков.  FH во всяком случае потянет сколько нужно.

Короче, кто хочет решить проблему, тот решает.

Вот и выходит, что единственная альтернатива Pu238 другой трансурановый изотоп Cm-244.

Да, именно так и следует поступать, чтобы надёжно утопить проект. В насе все дружно прифигеют от такого запроса и гарантированно откажут.

[Кремальера]

Но даже если создателям придёт блажь установить БИОЛОГИЧЕСКИЙ уровень защиты, то лишние полтонны (а то и меньше, если подумать) никак не испугают нынешних ракетчиков.  FH во всяком случае потянет сколько нужно.

В свете всем известных последних событий..,всякое может приключится..Если через обещанный год полетит Starship v3 то до орбиты Урана можно будет добраться по прямой траектории,без гравманевров,и за 6 лет. https://www.hou.usra.edu/meetings/opagjune2024/presentations/Wednesday/1435_Restrepo.pdf  Тогда и сама UOP в привычной архитектуре может и не потребоваться..Просто отправят оптимизированный Starship-изыскатель для внешних планет,с максимально упрощенным и увеличенным в размерах инструментарием,а проблему обогрева/энергетики решат в лоб-топливными элементами на металоксе.