Europa Clipper (с середины 2015 года — неофициальное название) — проект автоматической межпланетной станции НАСА, предназначенной для изучения шестого спутника Юпитера — Европы, на предмет её способности к поддержанию жизни. Наиболее вероятная дата запуска зонда — середина 2020-х гг.[1]. Миссия Europa Clipper обеспечит номинальный гарантированный период работоспособности зонда в районе Европы не менее 109 дней. Общее время исследований Европы составит 3,5 года, за которые зонд совершит 45 облётов спутника на высоте от 2700 до 25 км (для сравнения — максимальное сближение «Галилео» составляло 200 км). Стоимость реализации проекта по состоянию на начало 2015 года составляет от 1,8 до 2,3 млрддолларов (без учета стоимости ракеты-носителя и запуска). Разработка спускаемого аппарата может дополнительно обойтись в 700 млн долларов и может на один год сдвинуть предполагаемую дату запуска в 2022 году.
До 2009 года проект являлся частью международной программы Europa Jupiter System Mission (НАСА/ЕКА/Роскосмос/JAXA), запланированной к запуску на 2020 год, и назывался Jupiter Europa Orbiter (JEO).
В начале 2011 года миссия JEO была отменена в связи с её дороговизной (4,7 млрд долл.), сокращением некоторых исследовательских программ в пользу изучения Марса и сложностью посадки спускаемого аппарата на поверхность Европы (детализация изображений, полученных «Галилео», не позволяет судить о характере поверхности спутника).
В апреле 2011 года был представлен удешевленный наследник миссии JEO — проект Europa Clipper, орбитальный зонд стоимостью 2 млрд долл. (без учёта стоимости ракеты-носителя Atlas V 551 и запуска).
Март 2012 года — презентация проекта Europa Clipper на ежегодной конференции OPAG (Outer Planets Assassemet Group).
10 апреля 2013 года — администрации президента США опубликовала предложение к НАСА на 2014 бюджетный год по сокращению на 200 млн долларов финансирование программ, связанных с изучением дальних планет Солнечной системы. Таким образом, финансирование и разработка программы миссии к Европе начнется не ранее 2015—2016 годов, после принятия бюджета на 2015 финансовый год.
Июль 2013 года — научные команды Europa Science Definition Team, JPL и лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса представили на конференции OPAG совместный доклад, развивающий идеи проекта Europa Clipper, положенные в апреле 2011 года.
В начале сентябре 2013 года стало известно, что команда, прорабатывающая концепцию миссии Europa Clipper, отказалась от использования разрабатываемого НАСА радиоизотопного генератора энергии нового поколения (Advanced Stirling Radioisotope Generator, ASRG). Причиной отказа стали проблемы с надежностью ASRG и экстремальные радиационные условия системы Юпитера. В качестве источника энергии для Europa Clipper прорабатываются только MMRTG (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator, подобный источник установлен в MSL, а гарантированный срок его службы составляет не менее 14 лет) и солнечные панели (панели размером 2×9 м, установленные в зонде «Юнона», вырабатывают 150 ватт энергии, что эквивалентно вырабатываемой энергии от MMRTG)[2].
13 января 2014 — на конференции OPAG были представлены обновленные данные по проекту миссии.
4 марта 2014 года НАСА объявило о планах отправки миссии к Европе: в проекте американского бюджета на 2015 год для этой цели целенаправленно выделено 15 млн долларов (всего за последние годы на проработку различных аспектов миссии потрачено более 150 млн). Фаворитом среди предложенных проектов является проект миссии Europa Clipper. Предполагаемая дата запуска была сдвинута с 2021 на 2024 год с прибытием в систему Юпитера в 2031 году.
28 апреля 2014 года НАСА выпустило пресс-релиз[3], согласно которому агентство в состоянии профинансировать лишь такую миссию к Европе, чья стоимость не превысит 1 млрд долларов.
В середине июля 2014 года НАСА объявило о готовности выделить 25 млн долларов на разработку инструментов для будущего зонда. Поскольку американское агентство не смогло определиться со списком необходимых приборов, был объявлен конкурс на лучшее предложение по наиболее эффективному изучению Европы. Предложения будут рассмотрены группой экспертов, которая соберется 17 октября, а в апреле 2015 года будут отобраны 20 заявок-победителей[4]. В итоге экспертная группа определит восемь приборов, которые будут установлены на зонде.
В октябре 2014 года JPL включила 10 концептов наноспутников формата CubeSat в рамках расширения работ над миссией Europa Clipper.
3 октября 2014 года JPL отказалось от применения в зонде РИТЭГ в пользу солнечных панелей.
В декабре 2014 года стало известно, что бюджет НАСА на 2015 финансовый год по сравнению с бюджетом 2014 года будет увеличен, что ползволило в целом увеличить расходы на Planetary Science и напрямую выделить на исследования Европы ассигнования в размере 118 млн долларов. Несмотря на то, что миссии НАСА к Европе официально не существует, данное обстоятельство повышает шансы на её старт в 2016 году. В этом случае запуск аппарата будет возможен к середине 2022 года.
В феврале 2015 был представлен бюджет НАСА на 2016 фискальный год, согласно которому на разработку миссии к Европе планируется выделить 30 млн долларов. Эта сумма будет в дальнейшем пересчитана с учетом поправки, внесенной по результатам предварительного обзора, именуемого Key Decision Point А (KDP-A), проекта миссии перед переходом к этапу формулирования требований, который начнется спустя несколько месяцев. Таким образом, данное обстоятельство можно считать официальным стартом подготовки миссии к Европе. Всего на программу в течение пяти лет с 2016 года НАСА собирается выделить 255 млн долларов. Несмотря на то, что в документах НАСА не указаны ни полные затраты на разработку миссии, ни дата запуска, учёные, занятые в проработке концепта миссии, утверждают, что оценивать затраты не имеет смысла по крайней мере до достижения работ стадии Key Decision Point C (KDP-С), которая при нынешних темпах состоится не ранее мая 2018 года. Запуск аппарата наиболее вероятен в середине 2020-х гг[источник не указан 623 дня].
В конце февраля 2015 года на конференции OPAG были представлены обновленные данные по проекту миссии.
26 мая 2015 года НАСА объявило о выборе 9 научных инструментов из 33 предложенных вариантов, которые будут установлены в зонде.
18 июня 2015 года НАСА объявило о завершении этапа рассмотрения концепции миссии, одобрило её и тем самым дало ход опытно-конструкторским работам, в ходе которых будут созданы научные приборы и собран сам зонд. Название «Europa Clipper» с этого момента более не является официальным названием миссии.
В конце августа 2015 года на конференции OPAG были представлены обновленные данные по проекту миссии.
В конце 2015 года Конгресс США принял решение увеличить бюджет НАСА, в результате чего на разработку миссии к Европе будут выделены 175 млн долларов, что в 6 раз превышает сумму, ранее запрошенную НАСА. Столь значительное увеличение бюджета миссии предполагает дополнительно к зонду создание спускаемого на поверхность Европы аппарата. Финансирование разработки РКН SLS, который считается наиболее приемлемым вариантом носителя для зонда, также будет увеличено.
1 февраля 2016 года на встрече Группы по изучению внешних планет представители НАСА обсудили возможные варианты включения в миссию к Европе спускаемого аппарата для поисков следов присутствия жизни.
1 февраля 2016 года — на конференции OPAG были представлены обновленные данные по проекту миссии.
В конце февраля 2016 года началось формирование научной группы по определению целей, целесообразности различных исследований и общих параметров спускаемого аппарата в составе миссии к Европе. Группа должна завершить свою работу к середине 2016 года.
В конце мая 2016 года стало известно о желании НАСА отправить к Европе два аппарата вместо одного. Первый — орбитер, второй — лендер, разработку которого дополнительно готов профинансировать Конгресс США. В 2017 году на всю программу Когнгресс готов выделить впятеро больше изначально запрошенных НАСА средств — 260 млн долларов вместо 49 млн. Предполагается, что запуск орбитального аппарата произойдет не позже 2022 года, а посадочного — не позднее 2024 года.
11 августа 2016 года — на конференции OPAG были представлены обновленные данные по проекту миссии и проекту посадочного зонда.
26 сентября 2016 года НАСА объявило о повторном обнаружении гейзеров на Европе, точное подтверждение существования которых будет возможно после 2018 года, когда будет запущен телескоп "Джеймс Вебб". В случае подтверждения существования гейзеров и анализа полученных данных будет принято решение о необходимости установки на зонд инструментов для забора водного состава.
Научная команда проекта
Курт Нибур — научный руководитель программы исследования Европы.
Барри Голдстейн — руководитель предпроектного этапа работ.
Роберт Паппалардо — научный сотрудник предпроектного этапа работ.
Кевин Хенд — астробиолог, JPL.
Цели и задачи проекта
Перед Europa Clipper стоят две главные цели:
исследовать Европу на предмет её способности к поддержанию жизни;
собрать достаточное количество информации для определения места посадки спускаемого аппарата в составе следующей миссии.
Для достижения этих целей перед Europa Clipper поставлено три основных задачи:
Ледяная оболочка и океан: подтвердить существование подледного океана и полыней и изучить процессы взаимодействия ледяной корки и океана.
Структура: определить распределение и химический состав основных соединений и их связи в подледном океане.
Геология: охарактеризовать поверхность, включая места недавней и текущей активности.
Сценарий миссии
Фаза межпланетного перелета
21 ноября 2021 года — запуск (стартовое окно — с 15 ноября длительностью 21 день).
14 мая 2022 года — первый гравитационный манёвр (Венера).
24 октября 2023 года — второй гравитационный манёвр (Земля).
24 октября 2025 — третий гравитационный манёвр (Земля).
Фаза исследования Европы
4 апреля 2028 года — прибытие зонда в систему Юпитера и начало исследований Европы (109 дней). В течение номинальной миссии Europa Clipper передаст 1,4 Тбайт данных, включая изображения высокого разрешения с детализацией вплоть до 0,5 м на пиксель, данные радиолокационного зондирования и спектры поверхности, а также измерения магнитного поля. Во время ближайшего сближения зонда с поверхностью (25 км от замороженной поверхности спутника) радар определит толщину ледяной коры Европы и глубину лежащего под ней водного океана (а при наиболее благоприятном стечении обстоятельств — даже его соленость). По полученным в ходе миссии результатам будет определено место посадки спускаемого аппарата в составе следующей миссии.
октябрь 2031 года — номинальное завершение миссии.
По истечении номинального срока миссия может быть продлена. Продление миссии технически возможно до тех пор, пока у аппарата будет достаточно топлива, а радиация не выведет из строя электронику.
Миссия завершится сведением зонда с орбиты Европы для последующего его столкновения с Ганимедом.
Характеристики
Ракета-носитель
Europa Clipper может быть выведен на орбиту одной из следующих ракет-носителей:
Delta IV Heavy — перелет займет 4,7 лет и также потребует гравитационных маневров у Земли и Венеры; стоимость запуска — около 400 млн долларов. В случае утверждения Delta IV Heavy пуск произойдет в июне 2022 года с прибытием в систему Юпитера в мае 2027 года;
SLS Block 1 — перелет займет 2,5-2,7 лет и не потребует гравитационных маневров; предварительная оценка стоимости запуска — от 500 млн до 1 млрд долларов. В случае утверждения SLS пуск произойдет в июне 2022 года с прибытием в систему Юпитера в марте 2025 года. Однако 70-тонный вариант РКН будет способен доставить в систему Юпитера аппарат массой не более 2,9 т.
От варианта с РКН Atlas V 551 (перелет 7,4 года с EVEE-манёвром (Земля-Венера-Земля-Земля); стоимость запуска — около 200 млн долларов) решено было отказаться в августе 2016 года[5].
Конструкция
Полная масса:
Сухая масса:
Масса радиационной защиты: 54 кг. В процессе создания радиационной защиты будут учитываться данные, которые будут получены от зонда Juno.
передача данных на Землю: 3,0-м high-gain антенна со скоростью передачи 134 кбит/с.
Источник питания: 2 солнечных панели.
Научная аппаратура
26 мая 2015 НАСА объявило о выборе из 33 первоначально предложенных вариантов научными организациями и университетами 9 научных приборов, на разработку которых потратит 110 млн долларов за 3 года[6][7].
Наименование инструмента
Сокр.
Описание
Исследование ледяной корки и подледного океана
Plasma Instrument for Magnetic Sounding
PIMS
Вместе с магнитометром определит толщину ледяной коры поверхности Европы, глубину океана и его соленость.
Interior Characterization of Europa using Magnetometry
ICEMAG
Измерит магнитное поле у поверхности Европы и посредством электромагнитного зондирования спутника также выяснит толщину и соленость подледного океана Европы.
Radar for Europa Assessment and Sounding: Ocean to Near-surface
REASON
Двухчастотный радар (УКВ-диапазон: 60 МГц, КВ-диапазон: 9 МГц), который выполнит радарное сканирование поверхности спутника для определения внутренней структуры его ледяной корки (наличие в ней полостей и иных образований) и течений в подледном океане.
Узко- и широкоугольная камеры этого инструмента произведут сканирование большей части поверхности спутника с точностью до 50 метров, а отдельных участков — до 0,5 метра.
Разрешение матрицы — 4096×2048, CMOS.
Полный объём сжатых данных составит 487 Гбайт (11 Гбайт за каждый облет), распакованных — около 2,6 Тбайт.
Проведёт высокоточное исследование теплового излучения Европы и поможет в определении участков с гейзерами на поверхности спутника. Инструмент является наследником прибора THEMIS, установленного на борту зонда «Марс Одиссей», и прибора OTES, разрабатываемого для зонда OSIRIS-REx.
Зафиксирует водяные выбросы на поверхности Европы. В основном именно этот инструмент займется исследованиями атмосферы спутника Юпитера. Инструмент является наследником ультрафиолетовых спектрографов, установленных на зонды Rosetta, New Horizons, Lunar Reconnaissance Orbiter, Juno и JUICE (разрабатывается той же командой и является практически его копией).
Исследует химический состав спутника, в частности содержание солей, минералов, органических веществ и воды у поверхности и в недрах Европы. Это один из инструментов, способный указать на наличие жизни.
Отдельно агентство отметило инструмент SPace Environmental and Composition Investigation near the Europan Surface (SPECIES), разрабатываемый под руководством Мехди Бенна в Центре космических полетов Годдарда НАСА в Мэриленде. Этот прибор сочетает возможности масс-спектрографа и газового хроматографа. Ожидается, что он найдет применение если не в предстоящей, то в будущих миссиях.
Минимальный перечень научных приборов состоит из следующих позиций:
Камера (для съемки поверхности и построения её 3D-модели). Максимальная детализация: 0,5 м на пиксель. Детализация с высоты 100 км: 25 м на пиксель.
ИК-спектрометр (для определения химических маркеров).
Радар (для сканирования и проникновения в ледяную оболочку).
Рекомендуемый перечень научных приборов включает три дополнительных инструмента:
Магнитометр и Зонд Ленгмюра (для определения солености океана).
Масс-спектрометр нейтральных частиц (для определения состава экзосферы).
Прибор для подтверждения наличия океана.
Наноспутники
В 2014 году JPL предложила ряду американских университетов[8] проработать идеи создания отделяемых миниатюрных спутников формата CubeSat, которые комплектовались бы ксеноновыми двигателями и предназначались для исследования гипотетических гейзеров Европы, гравитационных, магнитных и радиационных полей спутника, а также сканирования поверхности на предмет поиска пригодных мест посадки для будущих миссий. Были выбраны 10 концептов для дальнейшей проработки.
Реализация подобного проекта в составе миссии Europa Clipper вследствие повышения общего веса полезной нагрузки аппарата возможна лишь в случае выбора SLS в качестве ракеты-носителя. Однако в мае 2015 года, после оглашения списка инструментов для зонда, НАСА не исключило появление спутников CubeSat в составе миссии.
В августе 2015 года стало известно, что научная команда проекта обсуждает модификацию миссии, при которой она станет аналогом мисиии «Кассини» и будет помимо основного аппарта иметь спускаемый аппарат. В случае, если НАСА одобрит включение спускаемого аппарата в состав миссии, разработкой оного займутся учёные Европейского космического агентства. Аппарат, вероятно, будет иметь бур для изучения природы верхнего слоя ледяной корки Европы.
Всего для подобных аппаратов в составе зонда предложено зарезервировать 250 кг массы.
Спускаемый аппарат
В конце 2015 года Конгресс США принял бюджет НАСА, предполагающий дополнить миссию к Европе спускаемым аппаратом. Предполагается, что это будет небольшой посадочный аппарат массой около 230 кг (из которых 20—30 кг — научное оборудование) и сроком активного существования 10 дней. Задачей аппарата будет исследование химической структуры ледяной корки Европы[9].
Данное требование Конгресса значительно усложняет разработку миссии к Европе. НАСА не обладает готовой платформой для аппарата столь высокой сложности. Кроме того, включение такого аппарата в состав миссии к Европе значительно увеличит общую массу, а, следовательно, и время перелёта к системе Юпитера.
В идее создания спускаемого аппарата (небольшой лендер с пенетратором) совместно с НАСА заинтересовано Европейское космическое агентство, которое может вложить в проект сумму, не превышающую 550 млн евро.
Схожие миссии
Современное поколение АМС, предназначенных для исследования системы Юпитера с прибытием в конце 2020-х годов, состоит из аппаратов европейского, российского и американского космических агентств. Помимо Europa Clipper, это JUICE (ЕКА) и Лаплас — Европа П (Роскосмос). Успех этих миссий во многом обеспечит будущее развитие спускаемых аппаратов на поверхность галилеевых спутников в 2030-х и/или 2040-х годах.
Примечания
The Europa Clipper Mission Concept (англ.). Destination: Europa. Архивировано из первоисточника 19 апреля 2013.
NASA’s Europa Mission Concept Rejects ASRGs — May Use Solar Panels at Jupiter Instead (05.09.2013).
NASA Seeks External Concepts for Mission to Oceanic Jovian Moon (28.04.2014).
Nasa sets aside $25 million for instruments necessary for the 'search for life beyond Earth' (17.07.2014).
Europa mission planning for possible budget cuts in 2017 - See more at: http://spacenews.com/europa-mission-planning-for-possible-budget-cuts-in-2017 (17.08.2016).
NASA’s Europa Mission Begins with Selection of Science Instruments (26.05.2015).
Другая Европа (28.05.2015).
JPL Selects Europa CubeSat Proposals for Study (08.10.2014).
Attempt no landing there? Yeah right — we’re going to Europa (17.11.2015).