Um olhar mais atento ao Projeto Lyra

Boa hora do dia, Giktayms!

Ontem publiquei o artigo “ Alcance o projeto Oumuamua!“ Lira ”e, quando comecei a ler o relatório“ Projeto Lyra: Enviando uma espaçonave para 1I / 'Oumuamua (antigo A / 2017 U1) ”, mencionei nele, o asteróide interestelar, rapidamente descobriu-se que seria necessário traduzi-lo para uma melhor compreensão. Comecei com a terceira seção mais saborosa, “3. Concepts and Technologies ”e, enquanto traduzia, Denis Nyrkov, viajante-1, escreveu para mim que acabara de traduzir o início do artigo. Então, três de nós, juntos, superamos a tarefa. O terceiro participante é um tradutor do Google. Honestamente, sem a participação dele, eu simplesmente não me incomodaria com este artigo.

Links para artigos anteriores sobre Oumuamua, um membro respeitado com o apelido akurilov :

1) Encontro com Oumuamua. Primeiro objeto interestelar no Sistema Solar
2) O primeiro objeto interestelar aberto acabou sendo incomum
3) Meu artigo de revisão sobre o “Projeto Lear” - Alcance O'Ouuamua! Projeto "Lira"

As notas em itálico entre parênteses são minhas. A lista de fontes é deliberadamente deixada como está, e as notas são adicionadas. Portanto, será mais fácil encontrar fontes. No futuro, pretendo fazer várias traduções com nomes como: “Um olhar mais atento ao Projeto Lyra # 00”, onde, em vez de zeros, haverá um número de origem da lista, se alguém quiser participar - por favor. Além disso, tudo é como na vida, agora vazio, agora grosso. Quero fazer uma nova publicação sobre "Moon Village", pois há notícias reais e informações interessantes. Na verdade, esse é o prefácio inteiro.

Projeto de Lear: envio do dispositivo ao asteróide interestelar ʻOumuamua (antigo A / 2017 U1)

O objetivo do estudo foi avaliar os efeitos do uso de esteroides anabolizantes no tratamento de pacientes com câncer de próstata.

1) Iniciativa para estudos interestelares , Bone Mill, New Street, Charfield, GL12 8ES, Reino Unido
2) LLC de iniciativas de asteróides

Anotação

O primeiro objeto interestelar confirmado descoberto em nosso sistema solar, ʻOumuamua (anteriormente conhecido como A / 2017 U1) nos proporcionou a oportunidade de estudar diretamente material de outro sistema estelar. É possível interceptar esse objeto? O desafio de alcançar o objeto em um tempo razoável é difícil de alcançar devido ao seu grande excesso de velocidade hiperbólica (velocidade menos a terceira velocidade espacial ) de cerca de 26 km / s, muito mais rápida do que qualquer veículo atualmente em execução. Este artigo fornece uma análise de alto nível da possível implementação dessa missão em um futuro próximo. O lançamento de um aparelho com um procedimento aceitável de preparação de missão de 5 a 10 anos requer uma velocidade hiperbólica excessiva entre 33 e 76 km / s por uma duração de missão entre 30 e 5 anos, respectivamente. Diferentes durações das missões e suas velocidades requerem estimativas levando em consideração a data de lançamento, sugerindo a conclusão da trajetória de interceptação com um único impulso. Várias possibilidades técnicas são descritas, incluindo a manobra de Obert ( ou manobra gravitacional ) perto do Sol usando motores químicos, e a possibilidade mais avançada usando velas solares ou a laser. Para maximizar o resultado científico da missão, é altamente desejável desacelerar o aparelho em Oumuamua, devido ao baixo rendimento científico em vôos de alta velocidade. Conclui-se que, embora a conquista do objeto seja um desafio técnico, sua implementação é vista como viável com tecnologias que já existem ou com aquelas que aparecerão em um futuro próximo.

1. Introdução

Em 19 de outubro de 2017, um objeto próximo à Terra foi descoberto na Universidade do Havaí usando dados da rede de telescópios Pan-STARRS , originalmente chamada A / 0217 U1, mas depois renomeada para Oumuamua. Descobriu-se que esse objeto, com uma velocidade no infinito (em relação ao Sol) de cerca de 26 km / s, não está ligado ao Sistema Solar, e chegou até nós de um ponto próximo ao ápice solar (acima em relação ao plano no qual os planetas se movem) da constelação de Lyra. Devido ao fato de ele não ter cauda ao se aproximar do Sol, o objeto não parecia um cometa e foi reconhecido como um asteróide. Observações posteriores do Observatório Palomar indicaram que o objeto possui um tom avermelhado, semelhante à cor dos objetos do cinturão de Kuiper [3]. Parecia um sinal de erosão cósmica. Suas propriedades orbitais foram analisadas em [2,4].

No momento, a frequência com que esses objetos entram no sistema solar é pouco compreendida. Visto que ʻumuamua é a amostra macroscópica mais próxima de material interestelar ( estamos falando dos chamados raios galácticos ), provavelmente com uma impressão isotópica distinta de todos os objetos do sistema solar, é difícil avaliar o resultado científico da obtenção de amostras desse objeto. É provável que um estudo detalhado do material interestelar a distâncias interestelares ocorra não antes de décadas depois, mesmo que o projeto Breakthrough Starshot (por exemplo) esteja se desenvolvendo vigorosamente. Portanto, uma pergunta muito interessante é a possibilidade de usar uma oportunidade única para enviar a espaçonave para O'umuamua para estudá-la próximo.

A Iniciativa para Estudos Interestelares ( organização sem fins lucrativos fundada na Inglaterra em 2012 ), ou i4is, abreviou, anunciou Lear em 30 de outubro para responder a essas perguntas. O objetivo do projeto é avaliar a possibilidade de realizar uma missão para O'umuamua usando as tecnologias atuais e esperadas em um futuro próximo, e propor um conceito de missão para a implementação de uma missão de vôo ou encontro com este asteróide. O desafio é complexo: de acordo com as estimativas atuais, Oumuamua tem uma velocidade hiperbólica excessiva de 26 km / s. Isso é significativamente mais do que qualquer objeto lançado pelo homem no espaço no momento. O Voyager-1 - o objeto mais rápido já criado pelo homem, tem uma velocidade excessiva de 16,6 km / s. Desde que O'umuamua já está deixando o sistema solar, qualquer veículo lançado no futuro terá que alcançar esse asteróide. No entanto, além do interesse científico em obter dados sobre esse objeto, a tarefa de sua realização por si só pode avançar com as modernas tecnologias espaciais. Portanto, o projeto de Lear não é apenas interessante do ponto de vista científico sobre esse assunto, mas também do ponto de vista dos desafios tecnológicos. A Figura 1 exibe o logotipo do projeto Lear:


Este artigo apresenta alguns resultados de uma análise preliminar de vários conceitos de missão para Oumuamua.

2. Análise de trajetória

Dada a velocidade excessiva hiperbólica e sua inclinação em relação à eclíptica do sistema solar, a primeira pergunta a ser respondida é o incremento de velocidade necessário (DeltaV) para atingir o objeto, um parâmetro fundamental para o projeto do sistema de propulsão. Obviamente, uma espaçonave mais lenta alcançará o objeto mais tarde que uma espaçonave mais rápida, o que levará a um comprometimento entre a duração da viagem e o DeltaV necessário. Além disso, quanto mais cedo a espaçonave for lançada, menor será a duração da viagem, pois a distância do objeto aumenta com o tempo. No entanto, é provável que a data de lançamento nos próximos 5 anos não seja realista e até 10 anos podem ser difíceis se novas tecnologias forem necessárias. Portanto, o terceiro compromisso básico é entre a data de início e o tempo de viagem / energia característica C3. A energia característica é o quadrado da velocidade excessiva hiperbólica, que pode ser entendida como a velocidade no infinito em relação ao Sol. Essas compensações são fixadas na figura 2. A figura representa ?? energia característica para o lançamento em relação à duração da missão e à data de lançamento. Supõe-se uma usina de energia pulsada com uma duração de tração bastante curta. Vôo planetário ou solar não é assumido, apenas um lançamento direto ao objeto. Você pode ver que há um mínimo de C3, que é cerca de 26,5 km / s (703 km ^ 2 / s ^ 2). No entanto, esse valor mínimo aumenta rapidamente quando a data de lançamento é transportada. Ao mesmo tempo, uma missão mais longa leva a uma diminuição do C3 necessário, mas também envolve uma reunião com um asteróide a uma distância maior do Sol. Uma data de lançamento realista para a sonda será de pelo menos 10 anos no futuro (2027). Nesse ponto, o excesso de velocidade hiperbólica já é de 37,4 km / s (1400 km ^ 2 / s ^ 2), com uma duração de vôo de cerca de 15 anos, o que torna essa trajetória extremamente difícil de ser realizada com lançamentos normais na ausência de uma extensão planetária.



Figura 2: Energia característica C3 em relação à duração da missão e data de lançamento.

Além do excesso de velocidade hiperbólica no lançamento, o excesso de velocidade em relação ao asteróide em uma colisão (V∞, 2) deve ser levado em consideração, pois determina o tipo de missão possível. A alta velocidade em excesso em relação ao asteróide reduz a duração do voo, mas também reduz o tempo disponível para observações perto do objeto interestelar. Por outro lado, um valor baixo para V∞, 2 pode até permitir uma transição para a órbita ao redor do asteróide com uma manobra pulsada ou pequena para diminuir a velocidade da sonda. O excesso de velocidade na chegada é mostrado na Figura 3, dependendo da data de lançamento e da duração do voo. As deformações das curvas de velocidade são devidas à órbita da Terra ao redor do Sol, o que leva a uma posição mais ou menos favorável para o lançamento em direção ao objeto. Você pode ver que a velocidade excedente mínima de cerca de 26,75 km / s implica um lançamento em 2018 e uma duração de vôo de mais de 20 anos. Esse valor de excesso de velocidade não proíbe a transição para órbita em torno de 'Oumuamua. No entanto, esse valor mínimo está aumentando rapidamente para datas de lançamento posteriores. A data de lançamento realista da sonda será de 5 a 10 anos no futuro (de 2023 a 2027). Nesse ponto, o excesso de velocidade hiperbólica necessária para a missão é de 33 a 76 km / s, para uma duração de vôo de 30 a 5 anos. Esses valores excedem em muito as capacidades atuais do sistema de propulsão química e elétrica de desacelerar e entrar em órbita em torno de 'Oumuamua.



Figura 3: Excesso de velocidade hiperbólica em relação à duração do voo e data de lançamento

A Figura 4 mostra a distância aproximada em que uma espaçonave interceptará um objeto. Para uma data de lançamento realista de 2027 ou posterior, uma espaçonave voa além de um objeto a uma distância de 100 a 200 A da Terra, que é semelhante à distância das sondas Voyager atualmente. A essa distância, é óbvio que o suprimento de energia e as comunicações estão se tornando um problema, e são necessárias fontes de energia nuclear, como RTGs.



Figura 4: Data de lançamento e duração da missão. O código de cores indica a distância em que a sonda transmite um objeto

A Figura 5 mostra a trajetória da amostra com uma data de lançamento em 2025. A órbita da Terra pode ser vista como uma pequena elipse ao redor do Sol (indicada como um círculo preto) no canto inferior direito da imagem. As trajetórias do asteróide e da espaçonave são quase retas.



Figura 5: Um exemplo da trajetória de uma espaçonave a ser lançada em 2025 e uma reunião com 1I / 'Oumuamua em 2055

Outra sugestão não é perseguir 'Oumuamua, mas preparar-se para que o próximo objeto interestelar penetre nosso sistema solar, desenvolvendo meios para lançar rapidamente uma espaçonave a esse objeto.

Dois cenários são analisados: primeiro, uma missão com uma curta duração de apenas um ano, que levará a uma reunião de apenas 5,8 UA do Sol. No entanto, a velocidade excessiva hiperbólica necessária pode atingir velocidades de cerca de 20 km / s. Finalmente, devido ao ângulo de colisão, é esperada uma alta velocidade em relação ao asteróide, no valor de 13,6 km / s, como mostra a Figura 6.



Figura 6: Trajetória a ser lançada em 2017 e reunião em 2018

A missão na mesma data de lançamento, mas com uma duração de 20 anos, é mostrada na Figura 7. Em uma colisão, a velocidade relativa da espaçonave em relação ao objeto é relativamente pequena (cerca de 600 m / s para este caso em particular), o que pode ser uma oportunidade para desacelerar a manobra e transferir para a órbita em torno de 'Oumuamua.



Figura 7: Trajetória para lançamento em 2017 e reunião em 2037

Resumindo, a dificuldade de alcançar 'Oumuamua é uma função do lançamento, excesso de velocidade hiperbólica e duração da missão. Os futuros desenvolvedores de missões precisam encontrar trocas apropriadas entre essas opções. Para uma data de lançamento realista em 5 a 10 anos, o excesso de velocidade hiperbólica é de 33 a 76 km / s, com uma reunião muito além da órbita de Plutão (50-200 ae).

3. Conceitos e tecnologias

Como mostrado acima, a busca de 'Oumuamua com uma data de lançamento realista (próximos 5 a 10 anos) é um problema sério para os sistemas espaciais modernos. A arquitetura de lançamento é nominalmente possível usando o SLS (Space Launch System), por exemplo, o que simplificaria o desenvolvimento da missão. No entanto, outros fornecedores de lançamentos também oferecem oportunidades promissoras nos próximos anos. Uma das possibilidades possíveis é usar o foguete SpaceX Big Falcon (BFR) com o estágio superior reabastecendo no espaço com data de lançamento em 2025. Para alcançar o excesso hiperbólico necessário (pelo menos 30 km / s), é necessário um viaduto de Júpiter em combinação com uma passagem próxima ao Sol (até 3 raios solares), apelidada de “fryby solar”. Essa manobra também é conhecida como "Wrap Manobra" [5]. A arquitetura foi proposta pelo Instituto Keck de Estudos Espaciais (KISS) [6] e pelo Laboratório de Propulsão a Jato (JPL) [7] para o estudo de asteróides interestelares. No entanto, o uso de BFR elimina a necessidade de inúmeras manobras gravitacionais para criar o momento necessário para entrar na trajetória de Júpiter. Em vez disso, iniciando diretamente uma sonda com várias etapas de reforço ( de uma órbita altamente elíptica próxima à Terra (Órbita Altamente Excêntrica da Terra, HEEO ( )), que permite obter uma velocidade de 10 km / s para uma viagem de 18 meses a Júpiter e sua manobra gravitacional, seguida pelo voo do Sol (o que é necessário para alterar a eclíptica.) O isolamento térmico multicamada protegerá o dispositivo da radiação solar quando ele ligar seu motor propulsor sólido com um grande impulso no periélio da órbita (é necessário alto impulso para maximizar o efeito Obert). Um meio interestelar do Keck Space Research Institute (KISS) mostrou a possibilidade de atingir velocidades de 70 km / s com as tecnologias existentes e interceptar um corpo a uma distância de 85 UA em 2039 se o dispositivo foi lançado em 2025. Mais estimativas restritas de qualquer maneira eles permitem que uma missão seja alcançada com uma velocidade de 40 km / se interceptando um objeto a uma distância de 155 UA em 2051. Em uma velocidade de aproximação alta, o dispositivo lançará uma sonda de impacto, que deve elevar uma nuvem significativa de gás, o que pode ser uma opção séria para pesquisas com deixando o asteróide com um espectrômetro no lugar. "

A arquitetura acima enfatiza a urgência e não as práticas recomendadas. O uso de tecnologias mais avançadas, como velas solares, velas laser e movimento elétrico a laser, pode abrir oportunidades adicionais para sobrevôo ou encontro com o 'Oumuamua. A seguir, são apresentadas análises de primeira ordem para missões de navegação solar e a laser.

Para uma missão usando uma vela solar, o lançamento da órbita da Terra deve levar em consideração o tempo de lançamento de 3 a 4 anos. O requisito de velocidade é de ~ 55 km / s, o que indica um fator de luz para a missão de 0,15 e uma aceleração característica de 0,009 m / s ^ 2. Isso requer uma carga específica na vela da ordem de 1 g / m ^ 2, materiais modernos com cargas úteis leves podem atingir 0,1 g / m ^ 2. Dado isso, com diferentes massas de espaçonaves, assumindo uma carga de navegação de até 1 g / m ^ 2, chegamos aos valores indicados na tabela 1 para um veleiro circular e quadrado.



Tabela 1: Parâmetros da vela solar em relação à massa da nave espacial
Massa da nave espacial [kg] Área da vela [m ^ 2] Ci

O projeto mais prático envolve o lançamento após 4 anos e a massa do navio é de 1 kg ou menos.

As tarefas de navegação com laser baseadas na tecnologia Stars Starshot Breakthrough Initiative [8-10] usarão um feixe de laser de 2,74 MW com aceleração total da sonda até 55 km / se lançamento em 3,5 anos (2021) , acelerando para 3.000 com uma sonda pesando cerca de 1 grama. Ele alcançará 'Oumuamua em cerca de 7 anos. Com um laser de 27,4 MW, uma sonda de 10 gramas pode ser dispersa. Massas ainda maiores de naves espaciais podem ser alcançadas através do uso de várias arquiteturas de missão, velocidades de aceleração mais baixas e durações de vôo mais longas. No entanto, com essa infraestrutura de feixe de laser, centenas ou mesmo milhares de sondas podem ser enviadas, como mostra a Figura 8. Essa arquitetura distribuída usando um enxame de sondas permitirá coletar dados em um volume de pesquisa maior sem restrições em uma única espaçonave monolítica.



Figura 8: Enxame de uma vela a laser (Crédito da imagem: Adrian Mann)

Outro conceito proposto por Streian e Peck [11] é enviar ChipSats para a magnetosfera de Júpiter e, usando a força de Lorentz, acelera-os a velocidades muito altas de cerca de 3000 km / s [12,11,13]. No entanto, controlar a direção dessas sondas pode não ser uma tarefa trivial.

Uma conseqüência importante é que, após a criação da infraestrutura operacional Starshot do Projeto Besta, mesmo em pequena escala, missões para objetos interestelares que voam pelo sistema solar podem ser lançadas em pouco tempo e justificar o desenvolvimento dessa infraestrutura. A principal vantagem dessa arquitetura seria um curto tempo de resposta a oportunidades incomuns. Os investimentos serão justificados pelo custo da opção dessa infraestrutura.

No que diz respeito à desaceleração na instalação, você pode obviamente usar os sistemas de propulsão existentes, por exemplo. embora limitado pela baixa potência específica dos RTGs como fonte de energia. ( Não está claro por que os reatores nucleares não são considerados uma fonte de energia.) Vale a pena explorar tecnologias mais avançadas, como velas magnéticas [14,15], velas elétricas [16] e o sistema de frenagem magnetosférico posterior [17] com a distância entre as intercepções atrás da heliosfera, no meio interestelar primitivo (Interstellar Medium, ISM) . Atualmente, a disponibilidade tecnológica dessas tecnologias mais avançadas é baixa, dependendo dos avanços na produção de materiais supercondutores, mas eles multiplicarão o retorno científico por ordens de magnitude.

O tamanho pequeno do objeto e seu baixo albedo dificultam a observação depois que ele novamente entra no espaço profundo. Isso representa um problema de navegação significativo para obter uma direção bastante precisa de 'Oumuamua, a fim de se aproximar do objeto para coletar dados úteis. Devido à incerteza posicional de um objeto com uma trajetória pouco conhecida, o projeto de uma missão distribuída deve ser investigado usando um enxame de sondas que podem cobrir uma grande área.

4. Conclusões

A descoberta do primeiro objeto interestelar que visitou nosso sistema solar é um evento emocionante e pode ser uma chance para toda a vida ou mesmo para várias vidas. Para avaliar a viabilidade de alcançar esse recurso, o i4is iniciou recentemente o projeto Lyra. Neste artigo, identificamos os principais objetivos para atingir 'Oumuamua, uma duração aproximada da missão e a velocidade excessiva hiperbólica necessária, dependendo da data de lançamento. De qualquer forma, a missão do objeto ampliará os limites do que é tecnologicamente possível hoje. Uma missão que usasse um sistema convencional de força química seria viável com a passagem de Júpiter para uma manobra gravitacional e próxima a uma passagem perto do Sol. Dado o material certo, você também pode usar a tecnologia de velas solares ou a laser.

Um resultado importante de nossa análise é que o grande valor da infra-estrutura de feixe de laser das “Iniciativas inovadoras” do projeto Starshot é a flexibilidade de responder rapidamente a eventos inesperados futuros.Por exemplo, envie um enxame de sondas para o próximo objeto, semelhante a 'Oumuamua. Se essa infraestrutura existisse agora, as missões de interceptação poderiam chegar a 'Oumuamua dentro de um ano.

Os trabalhos futuros no âmbito do projeto Lyra se concentrarão em uma análise mais detalhada de vários conceitos e tecnologias da missão, para reduzir seu número para 2-3 opções promissoras para desenvolvimento adicional.


Peço desculpas pela supervisão da publicação inicial.