Подлёдный лов в океанах Европы и Энцелада

[Dust Raider]

Я тут посчитал немного, применив свои пока ещё базовые знания в астродинамике, и выстроил траекторию для перелёта к Европе.
Получилось примерно следующее.
1) Посчитав с помощью самописной проги периоды стартовых окон на 2021-2031 годы, я выбрал моментом старта 5 июня июня 2022 года. Писать построитель поркчопов мне было лениво, хотя правильнее всего было бы находить стартовые окна им.  (Готовый не стал использовать, потому что не так интересно).
2) Проложив манёвр удаления от Земли, я посмотрел, обо что мы могли бы ускорится, но не нашёл. Собственно, так и ожидалось - даже в NASA их астродинамики не нашли подходящих конфигураций планет для ускорения к Юпитеру. Поэтому, решив что в данном случае гравитационные манёвры это баловство, я выстроил перелёт к Юпитеру по простой гомановской траектории. На самом деле, у меня получился не совсем гомановский манёвр, так как, хотя вначале мы поднимаем траекторию так же как при гомановском переходе, в конце мы используем гравитацию Юпитера для того чтобы затормозиться, и тем экономим топливо. В процессе перелёта я запланировал две коррекции, в точках со средней аномалией M=45° и M=90°. Коррекции были небольшие, и предназначены они были для того чтобы выйти к Юпитеру с полюса.
3) По мере приближения к Юпитеру его тяготение нарастало и сильно отклоняло аппарат. Впрочем, мне того и было нужно. Чудовищное тяготение планеты-гиганта искривляло траекторию полёта, так что в итоге она изменилась почти на 180 градусов. Манёвр был выстроен так чтобы периапсис над Юпитером пришёлся в район полюса. Аппарат проскользнул в 75 тысячах километров над атмосферой Юпитера, нырнув в просвет между ним и орбитой Амальтеи. В районе периапсиса я запланировал манёвр торможения, и потратив ещё полтора километра dV, КА вышел на длинную эллиптическую орбиту с эксцентриситетом ~0,9. Благодаря гравитации Юпитера и эффекту Оберта, удалось сэкономить ~3 км/с dV.
4) Далее пришлось двигать орбиту, так, чтобы в точке пересечения с плоскостью орбиты Европы радиус нашей орбиты был равен 671000 км (радиусу орбиты Европы). Это было довольно трудно, значения dV для манёвра в решателе сходились неохотно, однако после правильного выбора точек манёвра, КА пересёк плоскость орбиты луны Юпитера в правильном месте.
5) Далее оставалось только подобрать правильный момент перехвата, но тут возникли сложности. Я хотел чтобы КА прошёл в 200-300 км от поверхности Европы, чтобы можно было нормально сбросить посадочный модуль. Но ускорения никак не хотели сходиться для значений расстояния до Европы меньше 3500 км. Аппарат всё время проскакивал то чуть впереди, то чуть позади идущей по своей орбите планеты, никак не желая приближаться на нужное расстояние. Тяготение Юпитера и других спутников тянуло его из стороны в сторону, а ограничения точности расчётов не позволяли выставить точное ускорение манёвра, нужное для попадания. В итоге, повозившись с этим несколько часов, я добавил корректирующий манёвр над полюсом Юпитера. Выставив значения dV -50 м/с по нормали и 50 м/с по бинормали, я запустил решатель, и расчёт сошёлся с одной итерации. 8 ноября 2024 года аппарат прошёл над Европой на высоте около 250 км.

Общее время миссии составило 2 года 5 месяцев, общий расход dV ~14.4 км/c (11,1 км/с если не учитывать манёвр на выход из сферы влияния Земли).

Какие мы можем сделать из этого выводы? В принципе, даже так безграмотно просчитанная миссия (манёвры я не оптимизировал, и вообще я пока ещё очень криворукий астродинамик, наверняка можно было бы сэкономить ещё dV) способна достичь Европы. Современные сверхтяжёлые ракеты типа SLS или масковского Starship-а с расчётной нагрузкой имеют запасы dV верхних ступеней порядка 9-10 км/с, если осетра (в смысле, нагрузку) поурезать, то желаемые 11-14 км/с вполне достижимы. Вопрос - сколько груза мы сможем забросить на Европу таким образом?
Возьмём коммерческий "Старшип" Маска. Исходя из формулы Циолковского, до ~14.4 км/с он может разогнать 47.65 т. Однако, для штатной конфигурации это едва ли достижимо - указанная масса это и полезная нагрузка и масса самого КА. Следовательно, реальная полезная нагрузка будет меньше. Исходя из моего опыта в ракетостроении, предположу, что, предельно облегчив конструкцию Старшипа, мы сможем добиться массы полезной нагрузки примерно в 1/5 от полной массы КА, т.е., примерно 9,5 т. Вот из этой массы и надо исходить.

[Андрей Астрофизический]

Вот из этой массы и надо исходить.

Вряд ли в эту массу возможно вписать ядерный реактор. А без него, подледное бурение с целью достичь жидкого океана - кажется бесперспективной затеей...
Вообще, кмк, гипотетические будущие миссии на Европу следует разделять по одному ключевому критерию - могут ли/способны ли, достичь жидкого океана. От этого фактора, объем ожидаемых открытий различается радикально.
Пока кажется, любые мыслимые на базе существующих и разрабатываемых технических решений - не могут.

[Dust Raider]

А без него, подледное бурение с целью достичь жидкого океана - кажется бесперспективной затеей...

Есть один вариант.

Вообще говоря, я ещё очень неопытный астродинамик. Для выполнения таких миссий как наша, к планетам-гигантам надо подходить с экватора, а все эти заходы на Юпитер с полюса надо оставить классической советской фантастике. Потому что на той траектории что я рассчитал, наша скорость (относительно Европы) в момент flyby будет оглушительные 21,86 км/с! (Я не посмотрел вовремя в результаты расчёта в системе координат Европы. )

Я конечно миссию могу пересчитать... Но, может быть, удастся обратить вред в пользу? Кто может рассчитать, "шо будет", если в Европу залепить чугуниевой болванкой массой тонн 30-40 на скорости 22 км/с? Потому что, если оно может пробить, то тогда можно предложить немного другую конструкцию зонда, которая сможет решить нам задачу.

Зонд новой конструкции состоит из:
- ~38,15 т. - конструкции РН, которые будут "импактором", предназначенным пробить ледяной покров Европы.
- ~1т. - ретрансляционный КА, который останется на орбите, близкой к пролётной - передавать данные.
- ~8,5 т. - спускаемый аппарат, который, гася скорость, пойдёт следом за импактором, и нырнёт в пробитую им лунку. Вписать в эту массу ракетку, способную погасить 22 км/с, в принципе, возможно (если большая часть из 8.5 т. будет топливом, а аппаратуры на борту будет килограммов 10-20 (ну а зачем вам больше, так-то?)). Так что нам удастся погасить пролётную скорость и нырнуть в кратер, сделанный импактором, с околонулевой относительной скоростью. Понятно, что много информации передать такой зонд не сумеет, и время его работы будет измеряться единицами минут... Но это шанс пробиться через лёд.

Я понимаю что десятки километров льда такой импактор вряд ли пробьёт. Но я берусь попасть им в то место Европы, где лёд потоньше - вы главное скажите, куда.

[Митрич]

Вот из этой массы и надо исходить.

Вряд ли в эту массу возможно вписать ядерный реактор. А без него, подледное бурение с целью достичь жидкого океана - кажется бесперспективной затеей...
Вообще, кмк, гипотетические будущие миссии на Европу следует разделять по одному ключевому критерию - могут ли/способны ли, достичь жидкого океана. От этого фактора, объем ожидаемых открытий различается радикально.
Пока кажется, любые мыслимые на базе существующих и разрабатываемых технических решений - не могут.

На Европе, как и на Энцеладе, уже вроде как гейзеры обнаружены. Так что многокилометровые бурения там ни к чему.

[Dust Raider]

"шо будет", если в Европу залепить чугуниевой болванкой массой тонн 30-40 на скорости 22 км/с?

Посчитал ещё вдогонку... При массе импактора 38,15 т. и скорости 21,86 км/с будет 9,115x10^12 Дж. Это примерно 2178,58 т. тротилового эквивалента, 2.2 килотонны. Это примерно как в Бейруте в 20-м году рвануло. Мало.
Впрочем, это на Земле мало. А тут всё не Земля и не взрыв, а удар твёрдого тела в весьма хрупкий (вероятно, даже не водяной) лёд при маленькой силе тяжести.

[библиограф]

Комментарий модератора раздела

п.3.1.а, в - 30%

А вот статья про выбор орбит для гравитационных маневров в системе Юпитера - для того, чтобы все поняли , насколько это сложная наука!  
https://keldysh.ru/papers/2013/prep2013_72.pdf

[Dust Raider]

А вот статья про выбор орбит для гравитационных маневров в системе Юпитера - для того, чтобы все поняли , насколько это сложная наука!
https://keldysh.ru/papers/2013/prep2013_72.pdf

Большое спасибо за статью. Она поможет мне научиться лучше водить КА.

[Dust Raider]

Кстати, для подобной экспедиции в качестве базового КА очень хорошо подойдёт отечественный "Нуклон", который "ядИрный буксир ПутЕна". (Ну, теоретическая возможность что его построят, всё-таки есть. ) Однако масса полезной нагрузки не увеличится - так и так получается дотянуть до Европы примерно 9,5 т. (Vх ТЭМа примерно одинакова с Vх облегчённого "Старшипа") Зато на борту реактор на 480 КВт электрической моЩЩщи. Может быть, его как-то к делу применить можно будет?

[Maki]

отечественный "Нуклон", который "ядИрный буксир ПутЕна"

Зачем тут этот политический сарказм?
Европу и Энцелад люди обязательно исследуют. А какими средствами это сделают, и какая страна приложит к этому руку, не имеет никакого значения.

[Dust Raider]

Зачем тут этот политический сарказм?

А что, на форуме так нельзя?

UPD: не буду развивать тему чтобы не разводить политический оффтоп.

[sharp]

А с Титаном у Сатурна дело обстоит существенно иначе? Кассини-Гюйгенс не сверхтяжем запускали же.

У Титана есть одна очень классная особенность: у него имеется атмосфера. Поэтому Гюйгенс мог с пролётной траектории просто затормозить об атмосферу, не выходя на орбиту Титана.
А вот с безатмосферными спутниками так не получится: нужно фактически выравнивать скорость аппарата со скоростью спутника, и на это требуется очень существенная dV.

Вот значит почему для миссии Europa Clipper предлагается использовать гиганта SLS.

Так при всём при этом, Europa Clipper даже не выходит на орбиту Европы, а будет исследовать её с пролётных траекторий. С орбиты оно было бы удобнее, но, видимо, даже одной SLS в этом случае не хватит.

[sharp]

Идеи у авторов хорошие, но есть одна проблема. Дело в том что чтобы выйти в систему Юпитера, и оттуда выйти к Европе - это ОЧЕНЬ энергетически нагруженная миссия для КА. Дело в тяготении Юпитера. Миссия к Европе потребует ~16 км/с dV, если идти по гомановским переходам. А использовать гравитационные манёвры тут особо не получится. То есть мы можем использовать - но нам нормально затормозить нечем. Мы не можем повторить манёвр "Юноны" - нам нужно именно в плоскость орбиты Европы, а это затраты dV. И сразу попасть в сферу действия гравитации Европы не получится - она маленькая, а у нас скорость большая. Затормозиться-то мы сможем, но траектория искривится и нас унесёт гравитация других спутников Джупа.

Тут есть ещё одно вполне разумное решение: использовать ионники на определённых участках полёта. Например, для затратных маневров в системе Юпитера. Получится дольше, зато экономим массу.

[Dust Raider]

Тут есть ещё одно вполне разумное решение: использовать ионники на определённых участках полёта. Например, для затратных маневров в системе Юпитера. Получится дольше, зато экономим массу.

Это очень спорное решение. Наша задача закинуть на Европу возможно большую массу. Большая часть Vх у нас расходуется до системы Юпитера (на уход от Земли, разгон к Юпитеру и коррекцию после попадания в SOI Джупа). А дальше - дальше нам надо дёргать тяжеленный КА (с одним только спускаемым аппаратом на 2 тонны тяжелее "Союза"!) в очень плотном гравитационном поле страшной большой планеты. Ионники это стильно модно и молодёжно конечно, но тягать ими даже десятитонный аппарат в таких условиях - дурная затея. А здесь тонн будет гораздо больше. И это не говоря о том что они прожорливые по электричеству, и питать их неоткуда.

[sharp]

Это очень спорное решение. Наша задача закинуть на Европу возможно большую массу. Большая часть Vх у нас расходуется до системы Юпитера (на уход от Земли, разгон к Юпитеру и коррекцию после попадания в SOI Джупа). А дальше - дальше нам надо дёргать тяжеленный КА (с одним только спускаемым аппаратом на 2 тонны тяжелее "Союза"!) в очень плотном гравитационном поле страшной большой планеты. Ионники это стильно модно и молодёжно конечно, но тягать ими даже десятитонный аппарат в таких условиях - дурная затея. А здесь тонн будет гораздо больше. И это не говоря о том что они прожорливые по электричеству, и питать их неоткуда.

Смотря откуда считать. От НОО до Юпитера придётся затратить dV примерно столько же, сколько затем для выхода с орбиты Юпитера на орбиту Европы - около 6 км/с. А с орбиты на поверхность - ещё пара км/с:


Эта диаграмма - самое наглядное объяснение сложности посадки на спутники гигантов, а так же о том, почему проблематично сделать даже орбитер Европы.

Ионник, конечно, потребуется нехилый. Если полезная нагрузка - 10-тонный аппарат, его придётся тягать буксиром мегаваттного класса, типа ТЭМ: https://en.wikipedia.org/wiki/TEM_(nuclear_propulsion)Не обязательно это будет именно русский ТЭМ, но на эти параметры можно ориентироваться, они вполне реалистично отражают потенциальные возможности ядерного ионника.

Имеем, таким образом, связку из 10 тонн аппарата, и 20 тонн - буксир с тягой 20Н. Искомые 6 км/с для выхода с орбиты Юпитера на орбиту Европы она выдаст чуть более, чем за 3 месяца. С поправкой на неоптимальную траекторию, положим, это будет 6 месяцев.

Всего, таким образом, к Юпитеру потребуется отправить 30 тонн. Конечно, это много. Но, если решать ту же задачу с помощью ЖРД, потребуется закинуть 75 тонн - в 2,5 раза больше!

[AleksSlt]

у меня вопрос. Пробурили вы скважину до "воды".  Если на Земле есть атмосферное давление, то на поверхности спутника , атмосферы нет. Не получится ли,  что  "давление снизу"  не позволит  загрузить зонд в океан  спутника? Кстати какое давление будет в пробуренной скважине и как "уравнять" чтобы не образовался гейзер космических размеров ?

[Dust Raider]

Смотря откуда считать. От НОО до Юпитера придётся затратить dV примерно столько же, сколько затем для выхода с орбиты Юпитера на орбиту Европы - около 6 км/с. А с орбиты на поверхность - ещё пара км/с:

Ионник, конечно, потребуется нехилый. Если полезная нагрузка - 10-тонный аппарат, его придётся тягать буксиром мегаваттного класса, типа ТЭМ: https://en.wikipedia.org/wiki/TEM_(nuclear_propulsion)Не обязательно это будет именно русский ТЭМ, но на эти параметры можно ориентироваться, они вполне реалистично отражают потенциальные возможности ядерного ионника.

Имеем, таким образом, связку из 10 тонн аппарата, и 20 тонн - буксир с тягой 20Н. Искомые 6 км/с для выхода с орбиты Юпитера на орбиту Европы она выдаст чуть более, чем за 3 месяца. С поправкой на неоптимальную траекторию, положим, это будет 6 месяцев.

Всего, таким образом, к Юпитеру потребуется отправить 30 тонн. Конечно, это много. Но, если решать ту же задачу с помощью ЖРД, потребуется закинуть 75 тонн - в 2,5 раза больше!

... из чего я могу заключить что, во-первых, тему вы не читали, и во-вторых, в вопросе разбираетесь ещё хуже меня.

Разберём по пунктам, в чём вы не правы.
1.

Эта диаграмма - самое наглядное объяснение сложности посадки на спутники гигантов, а так же о том, почему проблематично сделать даже орбитер Европы.

Я уже упоминал, что большая часть манёвров у меня строится на использовании гравитационных полей, поэтому рассчитанные для гомановских переходов значения не имеют смысла. Например, на все манёвры в системе Юпитера у меня уходит всего 2.915 км/с Vх.

2.

Ионник, конечно, потребуется нехилый. Если полезная нагрузка - 10-тонный аппарат, его придётся тягать буксиром мегаваттного класса, типа ТЭМ: https://en.wikipedia.org/wiki/TEM_(nuclear_propulsion)Не обязательно это будет именно русский ТЭМ, но на эти параметры можно ориентироваться, они вполне реалистично отражают потенциальные возможности ядерного ионника.

Имеем, таким образом, связку из 10 тонн аппарата, и 20 тонн - буксир с тягой 20Н.

Откуда эти цифры? ТЭМ "Нуклона" весит 35 тонн, и 20 тонн весит МПН, который несёт в себе запас рабочего тела. 15 двигателей ИД-500 не потянут 20Н (даже несли не учитывать что "Нуклон" спроектирован так что большая часть энергии ЯЭУ отдаётся не на двигатели а в МПН). Я согласен с вами что закладываемые параметры ТЭМа хорошо отражают возможности ионного буксира, но вы приводите неверные значения. Читайте документацию. Вот, например, официальное ТЗ на "Нуклон".

3.

Всего, таким образом, к Юпитеру потребуется отправить 30 тонн. Конечно, это много. Но, если решать ту же задачу с помощью ЖРД, потребуется закинуть 75 тонн - в 2,5 раза больше!

Откуда эти цифры? Приведите ваши расчёты, обосновывающие это утверждение, потому что я не понимаю как вы вычислили эти значения и что подразумевается под фразой "к Юпитеру" (flyby, LJO, EuJO, LEuO)?

у меня вопрос. Пробурили вы скважину до "воды".  Если на Земле есть атмосферное давление, то на поверхности спутника , атмосферы нет. Не получится ли,  что  "давление снизу"  не позволит  загрузить зонд в океан  спутника? Кстати какое давление будет в пробуренной скважине и как "уравнять" чтобы не образовался гейзер космических размеров ?

Ну это уж не моё космопиратское дело. Моё дело довезти вас туда, а там вы уж сами разбирайтесь.

[loky1109]

дача закинуть на Европу возможно большую массу. Большая часть Vх у нас расходуется до системы Юпитера (на уход от Земли, разгон к Юпитеру и коррекцию после попадания в SOI Джупа). А дальше - дальше нам надо дёргать тяжеленный КА (с одним только спускаемым аппаратом на 2 тонны тяжелее "Союза"!) в очень плотном гравитационном поле страшной большой планеты. Ионники это стильно модно и молодёжно конечно, но тягать ими даже десятитонный аппарат в таких условиях - дурная затея. А здесь тонн будет гораздо больш

Вы считаете, что пробуренная скважина будет на всём протяжении ледяной толщи. В смысле вообще будет. Это ненаучная фантастика. Не будет никакого гейзере потому что не будет сквозной дыры.

[Dem]

Хм. Интересно. Вот значит почему для миссии Europa Clipper предлагается использовать гиганта SLS.
А с Титаном у Сатурна дело обстоит существенно иначе? Кассини-Гюйгенс не сверхтяжем запускали же.

Да - там есть атмосфера об которую можно тормозиться с любой скорости и направления.
Правда и тут мы можем затормозиться  - об атмосферу Юпитера. Чтобы выйти к Европе с околонулевой скоростью, и останется гасить только её собственное тяготение

[Андрей Астрофизический]

Но я берусь попасть им в то место Европы, где лёд потоньше - вы главное скажите, куда.

Подозреваю, что для ответа на такой вопрос, на Европе нужен как минимум лендер.

А тут всё не Земля и не взрыв, а удар твёрдого тела в весьма хрупкий (вероятно, даже не водяной) лёд при маленькой силе тяжести.

Сила тяжести не влияет на прочность льда, вроде бы...
Насчет хрупкости. Это на Энцеладе мы наблюдаем гейзеры из трещин, которые если подумать - понятно как образуются. Всякий микро-астероидный мусор из кольца Сатурна и его окрестностей со спутниками, видимо регулярно проверяет лед Энцелада на прочность, порой с отрицательным результатом для последнего.
На Европе же мы гейзеров не наблюдаем. Из чего можно сделать косвенный вывод о том, что лед там вероятно более толстый и прочный, и случайный мелкий астероид не пробивает его от слова вообще. Я думаю, если бы пара десятков тонн на скорости сопоставимой с орбитальной скоростью Европы, были бы способны продолбить ее лед, то мы бы уже наблюдали такое событие через какой-нибудь телескоп Хаббла, чисто случайно.
Что еще меня смущает...

Так что нам удастся погасить пролётную скорость и нырнуть в кратер, сделанный импактором

Нет, не удастся. Если этот зонд будет тормозить, он разойдется с импактором во времени. Если так - Европа передвинется за это время по орбите и повернется вокруг своей оси. И вы собираетесь попасть зондом в ту же лунку? Это фантастика, причем смахивает на ненаучную.

Вообще же про кратеры импакторы и гейзеры...

Не будет никакого гейзере потому что не будет сквозной дыры.

При 20-тонном импакторе видимо да. Просто никакой дыры. Если же неким импактным способом все же продолбить лед Европы, то

гейзер космических размеров

...там образуется обязательно и неизбежно, и тогда уже вы ничего туда не засунете. Избежать этого можно только аккуратным бурением.

и тут мы можем затормозиться  - об атмосферу Юпитера. Чтобы выйти к Европе с околонулевой скоростью

В теории да. На практике, Юпитер - самое неудобное во всей солнечной системе, тело для аэробрекинга. Ну кроме Солнца) Из-за очень резкого градиента плотности атмосферы, обусловленного его силой тяжести.
ЗЫ. Можно этот аэробрекинг об Юпитер попробовать посчитать... )

[Митрич]

На Европе же мы гейзеров не наблюдаем.

Давно заметил, что здесь каждый на своей волне работает и других зачастую просто не слышит
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,123358.msg5425819.html#msg5425819

Орбитальная обсерватория "Хаббл" получила уникальные фотографии того, как на поверхности Европы, спутника Юпитера, возникают и извергаются гейзеры, сообщили ученые на пресс-конференции в штаб-квартире НАСА.