Melihat dari dekat Proyek Lyra

Waktu yang baik hari ini, Giktayms!

Kemarin saya menerbitkan artikel " Mengejar ʻOumuamua! Proyek" Lira ", dan ketika saya mulai membaca laporan" Proyek Lyra: Mengirim Pesawat Ruang Angkasa ke 1I / 'Oumuamua (mantan A / 2017 U1) "Saya menyebutkan di dalamnya, Asteroid Antarbintang, dengan cepat ternyata perlu menerjemahkannya untuk pemahaman yang lebih baik. Saya mulai dengan bagian ketiga terlezat, “3. Konsep dan Teknologi ”, dan ketika menerjemahkannya, Denis Nyrkov, voyager-1 menulis kepada saya bahwa dia baru saja menerjemahkan awal artikel. Jadi, kami bertiga, bersama-sama, kami mengatasi tugas. Peserta ketiga adalah penerjemah Google. Jujur, tanpa partisipasinya, saya tidak akan repot-repot dengan artikel ini.

Tautan ke artikel sebelumnya tentang ʻOumuamua anggota terhormat dengan nama panggilan akurilov :

1) Berkencan dengan ʻOumuamua. Objek antarbintang pertama di Tata Surya
2) Objek antarbintang terbuka pertama ternyata tidak biasa
3) Artikel ulasan saya tentang "Proyek Lear" - Mengejar ʻOumuamua! Proyek "Lira"

Catatan dalam huruf miring dalam tanda kurung adalah milikku. Daftar sumber sengaja dibiarkan apa adanya, catatan ditambahkan. Jadi akan lebih mudah menemukan sumber. Di masa depan saya berencana untuk membuat beberapa terjemahan dengan nama-nama seperti: "Melihat dari dekat Proyek Lyra # 00", di mana bukan nol akan ada nomor sumber dari daftar, jika seseorang ingin bergabung - tolong. Selain itu, semuanya seperti dalam hidup, sekarang kosong, sekarang tebal. Saya ingin membuat publikasi baru tentang "Desa Bulan", karena ada berita aktual dan informasi menarik. Itu sebenarnya seluruh kata pengantar.

Proyek Lear: mengirim perangkat ke asteroid antar ʻOumuamua (sebelumnya 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) Inisiatif untuk Studi Antarbintang , Bone Mill, New Street, Charfield, GL12 8ES, Inggris
2) Asteroid Initiatives LLC

Anotasi

Objek antarbintang terkonfirmasi pertama yang ditemukan di tata surya kita, ʻOumuamua (sebelumnya dikenal sebagai A / 2017 U1) memberi kita kesempatan untuk secara langsung mempelajari materi dari sistem bintang lain. Apakah mungkin untuk mencegat objek ini? Tantangan untuk mencapai objek dalam waktu yang masuk akal sulit untuk dicapai karena kelebihan kecepatan hiperboliknya yang besar (kecepatan minus kecepatan ruang ketiga ) sekitar 26 km / detik, jauh lebih cepat daripada kendaraan mana pun yang sedang berjalan. Artikel ini memberikan analisis tingkat tinggi tentang kemungkinan implementasi misi semacam itu dalam waktu dekat. Meluncurkan peralatan dengan prosedur persiapan misi 5-10 tahun yang dapat diterima membutuhkan kecepatan hiperbolik berlebih antara 33 dan 76 km / detik untuk durasi misi masing-masing antara 30 dan 5 tahun. Durasi misi yang berbeda dan kecepatannya membutuhkan perkiraan dengan mempertimbangkan tanggal peluncuran, menyarankan kesimpulan untuk lintasan intersepsi dengan impuls tunggal. Beberapa kemungkinan teknis diuraikan, termasuk manuver Obert ( atau manuver gravitasi ) di dekat Matahari menggunakan mesin kimia, dan kemungkinan lebih maju menggunakan layar surya atau laser. Untuk memaksimalkan hasil ilmiah misi, sangat diinginkan untuk memperlambat peralatan di ʻOumuamua, karena hasil ilmiah yang rendah pada penerbangan berkecepatan tinggi. Disimpulkan bahwa walaupun pencapaian objek adalah tantangan teknis, implementasinya dipandang layak dengan teknologi yang sudah ada atau yang akan muncul dalam waktu dekat.

1. Pendahuluan

Pada 19 Oktober 2017, sebuah objek di dekat Bumi ditemukan di Universitas Hawaii menggunakan data dari jaringan teleskop Pan-STARRS , awalnya bernama A / 0217 U1, tetapi kemudian berganti nama menjadi Oumuamua. Ditemukan bahwa objek ini, yang memiliki kecepatan tak terhingga (relatif terhadap Matahari) sekitar 26 km / detik, tidak terikat dengan Tata Surya, dan datang kepada kami dari titik dekat dengan puncak matahari (di atas relatif terhadap pesawat tempat planet bergerak) dari rasi bintang Lyra. Karena fakta bahwa ia tidak memiliki ekor ketika mendekati Matahari, benda itu tidak terlihat seperti komet dan diakui sebagai asteroid. Pengamatan kemudian dari Palomar Observatory menunjukkan bahwa objek memiliki rona kemerahan, mirip dengan warna objek dari sabuk Kuiper [3]. Itu tampak seperti tanda erosi kosmik. Sifat orbitalnya dianalisis pada [2,4].

Saat ini, frekuensi masuknya benda-benda semacam itu ke tata surya kurang dipahami. Karena ʻOumuamua adalah sampel makroskopis terdekat dari bahan antarbintang ( kita berbicara tentang apa yang disebut sinar galaksi ), mungkin dengan jejak isotop khas dari semua objek tata surya, sulit untuk mengevaluasi hasil ilmiah dari memperoleh sampel benda semacam itu. Sebuah studi terperinci tentang bahan antarbintang pada jarak antarbintang kemungkinan akan berlangsung tidak lebih awal dari beberapa dekade kemudian, bahkan jika proyek Breakthrough Starshot (misalnya) sedang berkembang pesat. Oleh karena itu, pertanyaan yang sangat menarik adalah kemungkinan menggunakan kesempatan unik untuk mengirim pesawat ruang angkasa ke ʻOumuamua untuk mempelajarinya di dekat.

Initiative for Interstellar Studies ( organisasi nirlaba yang didirikan di Inggris pada 2012 ) atau disingkat i4is, mengumumkan pada 30 Oktober proyek Lear untuk menjawab pertanyaan-pertanyaan ini. Tujuan dari proyek ini adalah untuk menilai kemungkinan melaksanakan misi ke ʻOumuamua menggunakan teknologi saat ini dan yang diharapkan dalam waktu dekat, dan untuk mengusulkan konsep misi untuk pelaksanaan misi penerbangan atau pertemuan dengan asteroid ini. Tantangannya rumit: menurut perkiraan saat ini, Oumuamua memiliki kecepatan hiperbolik 26 km / detik. Ini secara signifikan lebih dari objek apa pun yang diluncurkan oleh manusia ke luar angkasa saat ini. Voyager-1 - objek tercepat yang pernah dibuat oleh manusia, memiliki kecepatan berlebih 16,6 km / s. Karena ʻOumuamua sudah meninggalkan tata surya, kendaraan apa pun yang diluncurkan di masa depan harus mengejar asteroid ini. Namun, di samping minat ilmiah dalam memperoleh data tentang objek ini, tugas pencapaiannya sendiri dapat memajukan teknologi ruang angkasa modern. Oleh karena itu, proyek Lear tidak hanya menarik dari sudut pandang ilmiah tentang masalah ini, tetapi juga dari sudut pandang tantangan teknologi. Gambar 1 menampilkan logo untuk proyek Lear:


Artikel ini menyajikan beberapa hasil analisis pendahuluan dari berbagai konsep misi untuk Oumuamua.

2. Analisis lintasan

Mengingat kecepatan berlebih hiperbolik dan kecenderungannya relatif terhadap ekliptika tata surya, pertanyaan pertama yang harus dijawab adalah peningkatan kecepatan yang diperlukan (DeltaV) untuk mencapai objek, parameter kunci untuk desain sistem propulsi. Jelas, pesawat ruang angkasa yang lebih lambat akan mencapai objek lebih lambat dari pesawat ruang angkasa, yang akan mengarah pada kompromi antara durasi perjalanan dan DeltaV yang diperlukan. Selain itu, semakin awal peluncuran pesawat, semakin pendek durasi perjalanan, karena jarak objek meningkat seiring waktu. Namun, tanggal peluncuran selama 5 tahun ke depan kemungkinan tidak realistis, dan bahkan 10 tahun dapat menjadi sulit jika teknologi baru diperlukan. Oleh karena itu, kompromi dasar ketiga adalah antara tanggal mulai dan waktu perjalanan / energi karakteristik C3. Energi karakteristik adalah kuadrat dari kecepatan berlebih hiperbolik, yang dapat dipahami sebagai kecepatan di infinity relatif terhadap Matahari. Trade-off ini ditetapkan pada Gambar 2. Angka tersebut mewakili ?? energi karakteristik untuk peluncuran sehubungan dengan durasi misi dan tanggal peluncuran. Diasumsikan pembangkit listrik berdenyut dengan durasi traksi yang cukup pendek. Penerbangan planet atau penerbangan matahari tidak dianggap, hanya peluncuran langsung ke objek. Anda dapat melihat bahwa ada minimum C3, yaitu sekitar 26,5 km / s (703 km ^ 2 / s ^ 2). Namun, nilai minimum ini meningkat dengan cepat ketika tanggal peluncuran dijalankan. Pada saat yang sama, misi yang lebih lama menyebabkan penurunan C3 yang dibutuhkan, tetapi juga melibatkan pertemuan dengan asteroid pada jarak yang lebih jauh dari Matahari. Tanggal peluncuran realistis untuk penyelidikan akan setidaknya 10 tahun di masa depan (2027). Pada titik ini, kecepatan berlebih hiperbolik sudah 37,4 km / s (1400 km ^ 2 / s ^ 2) dengan durasi penerbangan sekitar 15 tahun, yang membuat lintasan seperti itu sangat sulit dicapai dengan peluncuran normal tanpa adanya rentang planet.



Gambar 2: Energi karakteristik C3 relatif terhadap durasi misi dan tanggal peluncuran.

Selain kecepatan berlebih hiperbolik pada saat peluncuran, kecepatan berlebih relatif terhadap asteroid dalam tabrakan (V∞, 2) harus diperhitungkan, karena menentukan jenis misi yang mungkin. Kecepatan berlebih tinggi relatif terhadap asteroid mengurangi durasi penerbangan, tetapi juga mengurangi waktu yang tersedia untuk pengamatan di dekat objek antarbintang. Di sisi lain, nilai rendah untuk V∞, 2 bahkan dapat memungkinkan transisi ke orbit di sekitar asteroid dengan manuver berdenyut atau kecil untuk memperlambat probe. Kecepatan berlebih pada saat kedatangan ditunjukkan pada Gambar 3, tergantung pada tanggal peluncuran dan durasi penerbangan. Deformasi kurva kecepatan disebabkan oleh orbit Bumi di sekitar Matahari, yang mengarah ke posisi yang kurang lebih menguntungkan untuk meluncurkan ke arah objek. Anda dapat melihat bahwa kecepatan kelebihan minimum sekitar 26,75 km / s menyiratkan peluncuran pada tahun 2018 dan durasi penerbangan lebih dari 20 tahun. Nilai kecepatan berlebih ini tidak melarang transisi ke orbit di sekitar 'Oumuamua. Namun, nilai minimum ini meningkat dengan cepat untuk tanggal peluncuran selanjutnya. Tanggal peluncuran realistis dari probe akan dari 5 hingga 10 tahun di masa depan (dari 2023 hingga 2027). Pada titik ini, kecepatan berlebih hiperbolik yang diperlukan untuk misi adalah 33 hingga 76 km / detik untuk durasi penerbangan 30 hingga 5 tahun. Nilai-nilai ini jauh melebihi kemampuan saat ini dari sistem propulsi kimia dan listrik untuk memperlambat dan masuk ke orbit di sekitar 'Oumuamua.



Gambar 3: Kecepatan berlebih hiperbolik relatif terhadap durasi penerbangan dan tanggal peluncuran

Gambar 4 menunjukkan perkiraan jarak di mana pesawat ruang angkasa akan mencegat suatu objek. Untuk tanggal peluncuran realistis 2027 atau lebih baru, sebuah pesawat ruang angkasa terbang melewati objek pada jarak 100 hingga 200 A dari Bumi, yang mirip dengan jarak ke wahana Voyager hari ini. Pada jarak seperti itu, jelas bahwa pasokan listrik dan komunikasi menjadi masalah, dan sumber tenaga nuklir seperti RTG diperlukan.



Gambar 4: Tanggal peluncuran dan durasi misi. Kode warna menunjukkan jarak di mana pesawat ruang angkasa mentransmisikan objek

Gambar 5 menunjukkan lintasan sampel dengan tanggal peluncuran pada tahun 2025. Orbit Bumi dapat dilihat sebagai elips kecil di sekitar Matahari (ditunjukkan sebagai lingkaran hitam) di sudut kanan bawah gambar. Lintasan asteroid dan pesawat ruang angkasa hampir lurus.



Gambar 5: Contoh lintasan pesawat ruang angkasa untuk diluncurkan pada 2025 dan pertemuan dengan 1I / 'Oumuamua pada 2055

Saran lain adalah untuk tidak mengejar 'Oumuamua, tetapi untuk mempersiapkan objek antarbintang berikutnya untuk menembus tata surya kita, mengembangkan cara untuk dengan cepat meluncurkan pesawat ruang angkasa ke objek tersebut.

Dua skenario dianalisis: pertama, misi dengan durasi pendek hanya satu tahun, yang akan mengarah ke pertemuan hanya 5,8 AU dari Matahari. Namun, kecepatan berlebih hiperbolik yang dibutuhkan dapat mencapai kecepatan sekitar 20 km / s. Akhirnya, karena sudut tabrakan, kecepatan tinggi diharapkan relatif terhadap asteroid, sebesar 13,6 km / s, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.



Gambar 6: Lintasan untuk diluncurkan pada 2017 dan pertemuan pada 2018

Misi pada tanggal peluncuran yang sama, tetapi dengan durasi 20 tahun, ditunjukkan pada Gambar 7. Dalam tabrakan, kecepatan relatif pesawat ruang angkasa relatif terhadap objek relatif kecil (sekitar 600 m / s untuk kasus khusus ini), yang akan menjadi peluang untuk memperlambat manuver dan pergi ke orbit sekitar 'Oumuamua.



Gambar 7: Lintasan untuk diluncurkan pada 2017 dan pertemuan pada 2037

Singkatnya, kesulitan mencapai 'Oumuamua adalah fungsi peluncuran, kecepatan berlebih hiperbolik, dan durasi misi. Pengembang misi masa depan perlu menemukan pertukaran yang tepat antara opsi-opsi ini. Untuk tanggal peluncuran realistis dalam 5-10 tahun, kecepatan berlebih hiperbolik adalah 33-76 km / dt dengan pertemuan jauh di luar orbit Pluto (50-200 ae).

3. Konsep dan teknologi

Seperti yang ditunjukkan di atas, pengejaran 'Oumuamua dengan tanggal peluncuran yang realistis (5-10 tahun ke depan) adalah masalah serius bagi sistem ruang angkasa modern. Arsitektur peluncuran secara nominal dimungkinkan menggunakan Space Launch System (SLS), misalnya, yang akan menyederhanakan pengembangan misi. Namun, penyedia peluncuran lainnya juga menawarkan peluang yang menjanjikan dalam beberapa tahun mendatang. Salah satu kemungkinan potensial adalah dengan menggunakan roket SpaceX Big Falcon (BFR) dengan pengisian bahan bakar tingkat atas di luar angkasa dengan tanggal peluncuran pada tahun 2025. Untuk mencapai kelebihan hiperbolik yang diperlukan (setidaknya 30 km / dt), flyover Jupiter diperlukan dalam kombinasi dengan lintasan yang dekat di dekat Matahari (hingga 3 jari-jari surya), dijuluki "solar fryby". Manuver ini juga dikenal sebagai "Wrap Maneuver" [5]. Arsitektur ini diusulkan oleh Keck Institute for Space Studies (KISS) [6] dan Jet Propulsion Laboratory (JPL) [7] untuk studi asteroid antarbintang. Namun, penggunaan BFR menghilangkan kebutuhan untuk banyak manuver gravitasi untuk menciptakan momentum yang dibutuhkan untuk memasuki lintasan Jupiter. Alih-alih, dengan secara langsung meluncurkan probe dengan beberapa langkah pendorong ( dari orbit dekat-Bumi yang sangat elips (Orbit Bumi Sangat Eksentrik, HEEO ( ), yang memungkinkan Anda mendapatkan kecepatan 10 km / detik untuk perjalanan 18 bulan ke Jupiter dan manuver gravitasinya, diikuti oleh penerbangan Matahari) (yang diperlukan untuk mengubah ekliptika.) Insulasi termal multilayer akan melindungi perangkat dari radiasi matahari ketika dihidupkan mesin propelan padatnya dengan dorongan besar pada perihelion orbit (dorongan tinggi diperlukan untuk memaksimalkan efek Obert). Media antarbintang dari Keck Institute for Space Research (KISS) menunjukkan kemungkinan mencapai kecepatan 70 km / dtk dengan teknologi yang ada dan mencegat benda pada jarak 85 AU pada tahun 2039 jika perangkat diluncurkan pada tahun 2025. Lagi pula perkiraan yang terkendali mereka memungkinkan misi untuk dicapai dengan kecepatan 40 km / s dan mencegat sebuah objek pada jarak 155 AU pada tahun 2051. Pada kecepatan pendekatan yang tinggi, perangkat akan meluncurkan probe dampak, yang seharusnya meningkatkan awan gas yang signifikan, yang dapat menjadi pilihan serius untuk penelitian dengan meninggalkan asteroid dengan spektrometer di tempat. "

Arsitektur di atas menekankan urgensi daripada praktik terbaik. Penggunaan teknologi yang lebih maju, seperti layar matahari, layar laser, dan gerakan listrik laser, dapat membuka peluang tambahan untuk penerbangan berlebih atau bertemu dengan 'Oumuamua. Berikut ini adalah analisis tingkat pertama untuk misi berlayar matahari dan laser.

Untuk misi yang menggunakan layar matahari, peluncuran dari orbit Bumi seharusnya memperhitungkan waktu peluncuran dari 3 hingga 4 tahun. Persyaratan kecepatan adalah ~ 55 km / s, yang menunjukkan faktor cahaya untuk misi 0,15 dan akselerasi karakteristik 0,009 m / s ^ 2. Ini membutuhkan muatan khusus pada layar dengan urutan 1 g / m ^ 2, material modern dengan muatan ringan dapat mencapai 0,1 g / m ^ 2. Mengingat hal ini, dengan massa pesawat ruang angkasa yang berbeda, dengan asumsi muatan berlayar hingga 1 g / m ^ 2, kita sampai pada nilai yang ditunjukkan pada tabel 1 untuk perahu layar berlayar melingkar dan persegi.



Tabel 1: Parameter layar matahari terkait dengan massa pesawat ruang angkasa
Massa pesawat ruang angkasa [kg] Area layar [m ^ 2] Ci

Proyek paling praktis melibatkan peluncuran setelah 4 tahun dan massa kapal adalah 1 kg ke bawah.

Tugas berbasis laser yang berlayar berdasarkan teknologi Stars Starshot Breakthrough Initiative [8-10] akan menggunakan sinar laser 2,74 MW dengan akselerasi probe penuh hingga 55 km / detik dan diluncurkan dalam 3,5 tahun (2021) , mempercepat untuk 3.000 dengan probe yang beratnya sekitar 1 gram. Dia akan mencapai 'Oumuamua dalam sekitar 7 tahun. Dengan laser 27,4 MW, probe 10 gram dapat tersebar. Massa pesawat ruang angkasa yang lebih besar dapat dicapai melalui penggunaan berbagai arsitektur misi, kecepatan akselerasi yang lebih rendah, dan durasi penerbangan yang lebih lama. Namun, dengan infrastruktur sinar laser seperti itu, ratusan atau bahkan ribuan probe dapat dikirim, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8. Arsitektur terdistribusi menggunakan segerombolan probe akan memungkinkan pengumpulan data pada volume pencarian yang lebih besar tanpa batasan pada pesawat ruang angkasa monolitik tunggal.



Gambar 8: Kawanan Layar Laser (Kredit gambar: Adrian Mann)

Konsep lain yang diusulkan oleh Streian dan Peck [11] adalah mengirim ChipSats ke magnetosfer Jupiter, dan kemudian menggunakan gaya Lorentz, mempercepatnya ke kecepatan sangat tinggi sekitar 3000 km / s [12,11,13]. Namun, mengendalikan arah probe ini mungkin bukan tugas sepele.

Konsekuensi penting adalah bahwa setelah Beast Project Starshot infrastruktur operasional dibuat, bahkan dalam skala kecil, misi ke objek antar bintang yang terbang melalui tata surya dapat diluncurkan dalam waktu singkat dan dapat membenarkan pengembangan infrastruktur ini. Keuntungan utama dari arsitektur seperti itu adalah waktu respon yang singkat untuk peluang yang tidak biasa. Investasi akan dibenarkan oleh biaya opsi dari infrastruktur tersebut.

Berkenaan dengan perlambatan di fasilitas, Anda jelas dapat menggunakan sistem propulsi yang ada, misalnya. meskipun dibatasi oleh daya spesifik RTG yang rendah sebagai sumber energi. ( Tidak jelas mengapa reaktor nuklir tidak dianggap sebagai sumber energi.Ada baiknya mengeksplorasi teknologi yang lebih maju, seperti layar magnetik [14,15], layar listrik [16] dan sistem pengereman magnetosfer kemudian [17] dengan jarak antara penyadapan di belakang heliosphere, ke dalam media antarbintang yang masih asli (Interstellar Medium, ISM) . Kesiapan teknologi dari teknologi yang lebih canggih ini saat ini rendah, tergantung pada terobosan dalam produksi bahan superkonduktor, tetapi mereka akan melipatgandakan pengembalian ilmiah dengan pesanan besar.

Ukuran objek yang kecil dan albedo yang rendah membuatnya sulit untuk diamati setelah kembali ke ruang angkasa yang dalam. Ini menimbulkan masalah navigasi yang signifikan untuk mendapatkan arah yang cukup akurat ke 'Oumuamua, untuk lebih dekat ke objek untuk mengumpulkan data yang berguna. Karena ketidakpastian posisi objek semacam itu dengan lintasan yang tidak banyak diketahui, proyek misi yang didistribusikan harus diselidiki menggunakan segerombolan probe yang dapat mencakup area yang luas.

4. Kesimpulan

Penemuan benda antarbintang pertama yang mengunjungi tata surya kita adalah peristiwa yang mengasyikkan dan mungkin menjadi kesempatan seumur hidup atau bahkan untuk beberapa kehidupan. Untuk menilai kelayakan mencapai fasilitas ini, i4 baru-baru ini memulai proyek Lyra. Dalam artikel ini, kami telah mengidentifikasi tujuan utama untuk mencapai 'Oumuamua, perkiraan durasi misi dan kecepatan berlebih hiperbolik yang diperlukan tergantung pada tanggal peluncuran. Bagaimanapun, misi objek akan merentangkan batas-batas dari apa yang secara teknologi memungkinkan saat ini. Sebuah misi menggunakan sistem kekuatan kimia konvensional akan layak dengan terbang Jupiter untuk manuver gravitasi dan dekat dengan bagian dekat Matahari. Mengingat bahan yang tepat, Anda juga bisa menggunakan teknologi layar surya atau laser.

, Starshot Project « » , . , 'Oumuamua. , 'Oumuamua .

Lyra , 2-3 .


, .