Zoom sur le projet Lyra

Bon moment de la journée, Giktayms!

Hier, j'ai publié l'article « Rattraper le projet« Oumuamua! «Lira », et quand j'ai commencé à lire le rapport «Project Lyra: Sending a Spacecraft to 1I / 'Oumuamua (former A / 2017 U1)», je l'ai mentionné rapidement, l'astéroïde interstellaire, rapidement il s'est avéré qu'il serait nécessaire de le traduire pour une meilleure compréhension. J'ai commencé par la troisième section la plus savoureuse, «3. Concepts and Technologies », et en le traduisant, Denis Nyrkov, voyager-1 m'a écrit qu'il venait de traduire le début de l'article. Donc, trois d'entre nous, ensemble, nous avons surmonté la tâche. Le troisième participant est un traducteur Google. Honnêtement, sans sa participation, je ne m'embêterais tout simplement pas avec cet article.

Liens vers des articles précédents sur ʻOumuamua un membre respecté avec le surnom akurilov :

1) Rendez-vous avec ʻOumuamua. Premier objet interstellaire du système solaire
2) Le premier objet interstellaire ouvert s'est révélé inhabituel
3) Mon article de revue sur le «Projet Lear» - Rattrapez avec ʻOumuamua! Projet "Lira"

Les notes en italiques entre parenthèses sont les miennes. La liste des sources est délibérément laissée telle quelle, des notes sont ajoutées. Il sera donc plus facile de trouver des sources. À l'avenir, je prévois de faire plusieurs traductions avec des noms comme: «Un examen attentif du projet Lyra # 00», où au lieu de zéros, il y aura un numéro de source dans la liste, si quelqu'un veut se joindre - s'il vous plaît. De plus, tout est comme dans la vie, maintenant vide, maintenant épais. Je veux faire une nouvelle publication sur "Moon Village", car il y a des nouvelles et des informations intéressantes. C'est en fait toute la préface.

Projet de Lear: envoi de l'appareil à l'astéroïde interstellaire ʻOumuamua (ancien A / 2017 U1)

Andreas M. Hein (1), Nikolaos Perakis (1), Kelvin F. Long (1), Adam Crowl (1), Marshall Eubanks (2), Robert G. Kennedy III (1), Richard Osborne (1)

1) Initiative for Interstellar Studies , Bone Mill, New Street, Charfield, GL12 8ES, Royaume-Uni
2) Asteroid Initiatives LLC

Annotation

Le premier objet interstellaire confirmé découvert dans notre système solaire, ʻOumuamua (anciennement connu sous le nom A / 2017 U1) nous a permis d'étudier directement le matériel d'un autre système stellaire. Est-il possible d'intercepter cet objet? Le défi d'atteindre l'objet dans un délai raisonnable est difficile à réaliser en raison de sa grande vitesse hyperbolique excessive (vitesse moins la troisième vitesse spatiale ) d'environ 26 km / s, beaucoup plus rapide que n'importe quel véhicule actuellement en marche. Cet article fournit une analyse de haut niveau de la mise en œuvre possible d'une telle mission dans un avenir proche. Le lancement d'un appareil avec une procédure de préparation de mission acceptable de 5 à 10 ans nécessite une vitesse hyperbolique excessive comprise entre 33 et 76 km / s pour une durée de mission comprise entre 30 et 5 ans, respectivement. Les différentes durées de mission et leurs vitesses nécessitent des estimations tenant compte de la date de lancement, suggèrent la conclusion de la trajectoire d'interception avec une seule impulsion. Plusieurs possibilités techniques sont décrites, y compris la manœuvre Obert ( ou manœuvre gravitationnelle ) près du Soleil en utilisant des moteurs chimiques, et la possibilité plus avancée en utilisant des voiles solaires ou laser. Pour maximiser le résultat scientifique de la mission, il est hautement souhaitable de ralentir l’appareil à ʻOumuamua, en raison du faible rendement scientifique en vol à grande vitesse. Il est conclu que bien que la réalisation de l'objet soit un défi technique, sa mise en œuvre est considérée comme viable avec les technologies qui existent déjà ou celles qui apparaîtront dans un avenir proche.

1. Introduction

Le 19 octobre 2017, un objet près de la Terre a été découvert à l'Université d'Hawaï en utilisant des données du réseau de télescopes Pan-STARRS , initialement nommé A / 0217 U1, mais renommé plus tard ʻOumuamua. Il a été découvert que cet objet, ayant une vitesse à l'infini (par rapport au Soleil) d'environ 26 km / s, n'est pas lié au système solaire, et nous est venu d'un point proche de l' apex solaire (au-dessus par rapport au plan dans lequel les planètes se déplacent) de la constellation de la Lyre. En raison du fait qu'il n'avait pas de queue à l'approche du Soleil, l'objet ne ressemblait pas à une comète et a été reconnu comme un astéroïde. Des observations ultérieures de l'Observatoire Palomar ont indiqué que l'objet a une teinte rougeâtre, similaire à la couleur des objets de la ceinture de Kuiper [3]. Cela ressemblait à un signe d'érosion cosmique. Ses propriétés orbitales ont été analysées dans [2,4].

À l'heure actuelle, la fréquence à laquelle ces objets pénètrent dans le système solaire est mal connue. Puisque ʻOumuamua est l'échantillon macroscopique le plus proche de matériau interstellaire ( nous parlons des soi-disant rayons galactiques ), probablement avec une empreinte isotopique distinctive de tous les objets du système solaire, le résultat scientifique de l'obtention d'échantillons d'un tel objet est difficile à évaluer. Une étude détaillée du matériel interstellaire à des distances interstellaires devrait avoir lieu au plus tôt des décennies plus tard, même si le projet Breakthrough Starshot (par exemple) se développe vigoureusement. Par conséquent, une question très intéressante est la possibilité d'utiliser une telle opportunité unique d'envoyer le vaisseau spatial à ʻOumuamua pour l'étudier à proximité.

L' Initiative for Interstellar Studies ( organisation à but non lucratif fondée en Angleterre en 2012 ) ou en abrégé i4is, a annoncé le 30 octobre un projet Lear pour répondre à ces questions. L'objectif du projet est d'évaluer la possibilité de réaliser une mission à ʻOumuamua en utilisant les technologies actuelles et attendues dans un avenir proche, et de proposer un concept de mission pour la mise en œuvre d'une mission de vol ou de rencontre avec cet astéroïde. Le défi est complexe: selon les estimations actuelles, Oumuamua a une vitesse hyperbolique excessive de 26 km / s. C'est beaucoup plus que tout objet lancé par l'homme dans l'espace pour le moment. Voyager-1 - l'objet le plus rapide jamais créé par l'homme, a une vitesse excessive de 16,6 km / s. Puisque ʻOumuamua quitte déjà le système solaire, tout véhicule lancé à l’avenir devra rattraper cet astéroïde. Cependant, en plus de l'intérêt scientifique d'obtenir des données sur cet objet, la tâche de sa réalisation en soi peut faire avancer les technologies spatiales modernes. Par conséquent, le projet de Lear est non seulement intéressant d'un point de vue scientifique sur cette question, mais aussi du point de vue des défis technologiques. La figure 1 affiche le logo du projet Lear:


Cet article présente quelques résultats d'une analyse préliminaire de divers concepts de mission pour Oumuamua.

2. Analyse de trajectoire

Compte tenu de la vitesse excessive hyperbolique et de son inclinaison par rapport à l'écliptique du système solaire, la première question à laquelle répondre est l'incrément de vitesse requis (DeltaV) pour atteindre l'objet, un paramètre clé pour la conception du système moteur. De toute évidence, un vaisseau spatial plus lent atteindra l'objet plus tard qu'un vaisseau spatial plus rapide, ce qui conduira à un compromis entre la durée du voyage et le DeltaV requis. De plus, plus le vaisseau spatial démarre tôt, plus la durée du voyage est courte, car la distance de l'objet augmente avec le temps. Cependant, la date de lancement au cours des 5 prochaines années risque d'être irréaliste, et même 10 ans peuvent être difficiles si de nouvelles technologies sont nécessaires. Par conséquent, le troisième compromis de base est entre la date de début et le temps de trajet / énergie caractéristique C3. L'énergie caractéristique est le carré de l'excès de vitesse hyperbolique, qui peut être compris comme la vitesse à l'infini par rapport au Soleil. Ces compromis sont fixes dans la figure 2. Le chiffre représente ?? énergie caractéristique du lancement en fonction de la durée de la mission et de la date de lancement. Il est supposé une centrale électrique pulsée avec une durée de traction assez courte. Le vol planétaire ou solaire n'est pas supposé, seulement un lancement direct vers l'objet. Vous pouvez voir qu'il y a un minimum de C3, soit environ 26,5 km / s (703 km ^ 2 / s ^ 2). Cependant, cette valeur minimale augmente rapidement lorsque la date de lancement est reportée. Dans le même temps, une mission plus longue entraîne une diminution de la C3 requise, mais implique également une rencontre avec un astéroïde à une plus grande distance du Soleil. Une date de lancement réaliste de la sonde sera d'au moins 10 ans dans le futur (2027). À ce stade, la vitesse excessive hyperbolique est déjà de 37,4 km / s (1400 km ^ 2 / s ^ 2) avec une durée de vol d'environ 15 ans, ce qui rend une telle trajectoire extrêmement difficile à réaliser avec des lancements normaux en l'absence d'une portée planétaire.



Figure 2: Énergie caractéristique C3 relative à la durée de la mission et à la date de lancement.

En plus de l'excès de vitesse hyperbolique au lancement, il convient de prendre en compte l'excès de vitesse par rapport à l'astéroïde en collision (V∞, 2), car il détermine le type de mission possible. Une vitesse excessive excessive par rapport à l'astéroïde réduit la durée du vol, mais réduit également le temps disponible pour les observations à proximité de l'objet interstellaire. D'un autre côté, une valeur faible pour V 2, 2 peut même permettre une transition vers l'orbite autour de l'astéroïde avec une manœuvre pulsée ou petite pour ralentir la sonde. La vitesse excessive à l'arrivée est illustrée à la figure 3, en fonction de la date de lancement et de la durée du vol. Les déformations des courbes de vitesse sont dues à l'orbite de la Terre autour du Soleil, ce qui conduit à une position plus ou moins favorable pour le lancement vers l'objet. Vous pouvez voir que la vitesse excédentaire minimale d'environ 26,75 km / s implique un lancement en 2018 et une durée de vol de plus de 20 ans. Cette valeur de vitesse excessive n'interdit pas la transition en orbite autour de 'Oumuamua. Cependant, cette valeur minimale augmente rapidement pour les dates de lancement ultérieures. La date de lancement réaliste de la sonde sera de 5 à 10 ans dans le futur (de 2023 à 2027). À ce stade, la vitesse excédentaire hyperbolique requise pour la mission est de 33 à 76 km / s pour une durée de vol de 30 à 5 ans. Ces valeurs dépassent de loin les capacités actuelles du système de propulsion chimique et électrique à ralentir et à se mettre en orbite autour d'Oumuamua.



Figure 3: Excès de vitesse hyperbolique par rapport à la durée du vol et à la date de lancement

La figure 4 montre la distance approximative à laquelle un vaisseau spatial interceptera un objet. Pour une date de lancement réaliste de 2027 ou plus tard, un vaisseau spatial survole un objet à une distance de 100 à 200 A de la Terre, ce qui est similaire à la distance aux sondes Voyager aujourd'hui. À une telle distance, il est évident que l'alimentation électrique et les communications deviennent un problème, et des sources d'énergie nucléaire telles que les RTG sont nécessaires.



Figure 4: date de lancement et durée de la mission. Le code couleur indique la distance à laquelle l'engin spatial transmet un objet

La figure 5 montre la trajectoire de l'échantillon avec une date de lancement en 2025. L'orbite de la Terre peut être vue comme une petite ellipse autour du Soleil (indiquée par un cercle noir) dans le coin inférieur droit de l'image. Les trajectoires de l'astéroïde et du vaisseau spatial sont presque droites.



Figure 5: Un exemple de la trajectoire d'un vaisseau spatial à lancer en 2025 et une rencontre avec 1I / 'Oumuamua en 2055

Une autre suggestion n'est pas de chasser Oumuamua, mais de se préparer à ce que le prochain objet interstellaire pénètre dans notre système solaire, en développant des moyens pour lancer rapidement un vaisseau spatial vers un tel objet.

Deux scénarios sont analysés: premièrement, une mission d'une courte durée d'un an seulement, qui conduira à une réunion de seulement 5,8 UA du Soleil. Cependant, l'excès de vitesse hyperbolique requis peut atteindre des vitesses d'environ 20 km / s. Enfin, en raison de l'angle de collision, une vitesse élevée est attendue par rapport à l'astéroïde, s'élevant à 13,6 km / s, comme le montre la figure 6.



Figure 6: Trajectoire à lancer en 2017 et à rencontrer en 2018

La mission à la même date de lancement, mais d'une durée de 20 ans, est illustrée à la figure 7. Lors d'une collision, la vitesse relative de l'engin spatial par rapport à l'objet est relativement faible (environ 600 m / s pour ce cas particulier), ce qui peut être l'occasion de ralentir la manœuvre et de passer en orbite. autour de 'Oumuamua.



Figure 7: Trajectoire de lancement en 2017 et réunion en 2037

Pour résumer, la difficulté de réaliser 'Oumuamua est fonction du lancement, de la vitesse hyperbolique excessive et de la durée de la mission. Les futurs développeurs de missions doivent trouver des compromis appropriés entre ces options. Pour une date de lancement réaliste dans 5 à 10 ans, l'excès de vitesse hyperbolique est de 33 à 76 km / s avec une rencontre bien au-delà de l'orbite de Pluton (50-200 ae).

3. Concepts et technologies

Comme indiqué ci-dessus, la poursuite d'Oumuamua avec une date de lancement réaliste (5 à 10 prochaines années) est un problème sérieux pour les systèmes spatiaux modernes. L'architecture de lancement est théoriquement possible en utilisant le Space Launch System (SLS), par exemple, ce qui simplifierait le développement de la mission. Cependant, d'autres fournisseurs de lancement offrent également des opportunités prometteuses au cours des prochaines années. L'une des possibilités potentielles est d'utiliser la fusée SpaceX Big Falcon (BFR) avec l'étage supérieur de ravitaillement dans l'espace avec une date de lancement en 2025. Pour atteindre l'excès hyperbolique requis (au moins 30 km / s), un survol de Jupiter est nécessaire en combinaison avec un passage proche du Soleil (jusqu'à 3 rayons solaires), surnommé «Solar Fryby». Cette manœuvre est également connue sous le nom de "manœuvre de bouclage" [5]. L'architecture a été proposée par le Keck Institute for Space Studies (KISS) [6] et le Jet Propulsion Laboratory (JPL) [7] pour l'étude des astéroïdes interstellaires. Cependant, l'utilisation du BFR élimine le besoin de nombreuses manœuvres gravitationnelles pour créer l'élan nécessaire pour entrer dans la trajectoire de Jupiter. Au lieu de cela, en lançant directement une sonde avec plusieurs étapes de rappel (à partir d'une orbite terrestre très elliptique (orbite terrestre hautement excentrique, HEEO ( ), qui vous permet d'obtenir une vitesse de 10 km / s pour un voyage de 18 mois vers Jupiter et sa manœuvre gravitationnelle, suivie du vol du Soleil) (ce qui est nécessaire pour changer l'écliptique.) L'isolation thermique multicouche protégera l'appareil du rayonnement solaire lorsqu'il allumera son moteur à propergol solide avec une poussée importante au périhélie de l'orbite (une poussée élevée est nécessaire pour maximiser l'effet Obert). Un milieu interstellaire du Keck Space Research Institute (KISS) a montré la possibilité d'atteindre des vitesses de 70 km / s avec les technologies existantes et d'intercepter un corps à une distance de 85 UA en 2039 si l'appareil était lancé en 2025. Plus d'estimations restreintes de toute façon ils permettent d'atteindre la mission à une vitesse de 40 km / s et un objet intercepté à une distance de 155 UA en 2051. À une vitesse d'approche élevée, l'appareil lancera une sonde d'impact, qui devrait soulever un nuage de gaz important, ce qui peut être une option sérieuse pour la recherche avec laissant l'astéroïde avec un spectromètre en place. "

L'architecture ci-dessus met l'accent sur l'urgence plutôt que sur les meilleures pratiques. L'utilisation de technologies plus avancées, telles que les voiles solaires, les voiles laser et le mouvement électrique laser, peut ouvrir des opportunités supplémentaires de survol ou de rendez-vous avec 'Oumuamua. Voici des analyses de premier ordre pour les missions de voile solaire et laser.

Pour une mission utilisant une voile solaire, le lancement depuis l'orbite terrestre est supposé prendre en compte le temps de lancement de 3 à 4 ans. La vitesse requise est de ~ 55 km / s, ce qui indique un facteur lumineux pour la mission de 0,15 et une accélération caractéristique de 0,009 m / s ^ 2. Cela nécessite une charge spécifique sur la voile de l'ordre de 1 g / m ^ 2, les matériaux modernes avec des charges utiles légères peuvent atteindre 0,1 g / m ^ 2. Compte tenu de cela, avec différentes masses d'engins spatiaux, en supposant une charge de navigation allant jusqu'à 1 g / m ^ 2, nous arrivons aux valeurs indiquées dans le tableau 1 pour un voilier à voile circulaire et carré.



Tableau 1: Paramètres de la voile solaire par rapport à la masse de l'engin spatial
Masse du vaisseau spatial [kg] Surface de voile [m ^ 2] Ci

Le projet le plus pratique consiste à lancer après 4 ans et la masse du navire est de 1 kg et moins.

Les tâches de navigation au laser basées sur la technologie Stars Starshot Breakthrough Initiative [8-10] utiliseront un faisceau laser de 2,74 MW avec une accélération complète de la sonde à 55 km / s et un lancement en 3,5 ans (2021) , accélérant pour 3000 avec une sonde pesant environ 1 gramme. Il atteindra 'Oumuamua dans environ 7 ans. Avec un laser de 27,4 MW, une sonde de 10 grammes a pu être dispersée. Des masses d'engins spatiaux encore plus grandes peuvent être obtenues grâce à l'utilisation de diverses architectures de mission, des vitesses d'accélération plus faibles et des durées de vol plus longues. Cependant, avec une telle infrastructure de faisceau laser, des centaines, voire des milliers de sondes pourraient être envoyées, comme le montre la figure 8. Une telle architecture distribuée utilisant un essaim de sondes permettra de collecter des données sur un plus grand volume de recherche sans restrictions sur un seul engin spatial monolithique.



Figure 8: essaim d'une voile laser (crédit image: Adrian Mann)

Un autre concept proposé par Streian et Peck [11] est d'envoyer des ChipSats dans la magnétosphère de Jupiter, puis en utilisant la force de Lorentz, de les accélérer à des vitesses très élevées d'environ 3000 km / s [12,11,13]. Cependant, contrôler la direction de ces sondes peut ne pas être une tâche triviale.

Une conséquence importante est qu'après la création de l'infrastructure opérationnelle de Beast Project Starshot, même à petite échelle, des missions sur des objets interstellaires volant à travers le système solaire peuvent être lancées en peu de temps et peuvent justifier le développement de cette infrastructure. Le principal avantage d'une telle architecture serait un temps de réponse court aux opportunités inhabituelles. Les investissements seront justifiés par le coût d'option de ces infrastructures.

En ce qui concerne la décélération de l'installation, vous pouvez évidemment utiliser des systèmes de propulsion existants, par exemple. bien que limité par la faible puissance spécifique des RTG comme source d'énergie. ( On ne sait pas pourquoi les réacteurs nucléaires ne sont pas considérés comme une source d'énergie.Il vaut la peine d'explorer des technologies plus avancées, telles que les voiles magnétiques [14,15], les voiles électriques [16] et le système de freinage magnétosphérique ultérieur [17] avec la distance entre les interceptions derrière l'héliosphère, dans le milieu interstellaire vierge (Interstellar Medium, ISM) . La disponibilité technologique de ces technologies plus avancées est actuellement faible, en fonction des avancées dans la production de matériaux supraconducteurs, mais elles multiplieront le retour scientifique par des ordres de grandeur.

La petite taille de l'objet et son faible albédo le rendent difficile à observer après son retour dans l'espace lointain. Cela pose un problème de navigation important pour obtenir une direction assez précise vers 'Oumuamua, afin de se rapprocher de l'objet pour collecter des données utiles. En raison de l'incertitude de position d'un tel objet avec une trajectoire peu connue, le projet d'une mission distribuée devrait être étudié à l'aide d'un essaim de sondes pouvant couvrir une large zone.

4. Conclusions

La découverte du premier objet interstellaire qui a visité notre système solaire est un événement passionnant et peut être une chance pour une vie ou même pour plusieurs vies. Pour évaluer la faisabilité de la réalisation de cette installation, i4is a récemment lancé le projet Lyra. Dans cet article, nous avons identifié des objectifs clés pour atteindre 'Oumuamua, une durée de mission approximative et la vitesse excessive hyperbolique nécessaire en fonction de la date de lancement. Dans tous les cas, la mission de l'objet repoussera les limites de ce qui est technologiquement possible aujourd'hui. Une mission utilisant un système de force chimique conventionnel serait réalisable avec un survol de Jupiter pour une manœuvre gravitationnelle et à proximité d'un passage près du Soleil. Avec les bons matériaux, vous pouvez également utiliser la technologie des voiles solaires ou laser.

Un résultat important de notre analyse est que la grande valeur de l'infrastructure de faisceaux laser du projet Starshot «Breakthrough Initiatives» est la flexibilité nécessaire pour répondre rapidement à de futurs événements inattendus. Par exemple, envoyer un essaim de sondes à l'objet suivant, similaire à «Oumuamua». Si une telle infrastructure existait maintenant, les missions d'interception pourraient atteindre Oumuamua d'ici un an.

Les travaux futurs dans le cadre du projet Lyra se concentreront sur une analyse plus détaillée des différents concepts et technologies de la mission, afin de réduire leur nombre à 2-3 options prometteuses pour un développement ultérieur.


Je m'excuse d'avoir supervisé la publication initiale.