Как космический аппарат Juice будет добираться до Юпитера

Юпитер — самая большая планета в нашей солнечной системе, которая таит в себе множество тайн и загадок. Одной из них является вероятность существование жизни на его ледяных спутниках — Ганимеде, Каллисто и Европе. Эти три луны под толщей своей ледяной коры имеют огромные океаны жидкой воды, гипотетически пригодной для жизни. Но чтобы узнать это точно, нужно исследовать их изнутри и снаружи. Именно эту задачу ставит перед собой миссия Европейского космического агентства (ЕКА) под названием Juice (Jupiter Icy Moons Explorer).

Juice — это космический аппарат, запущенный в апреле 2023 года с космодрома Европы во Французской Гвиане. Он должен добраться к Юпитеру в 2031 году и провести там около трех лет, совершая 35 пролетов мимо ледяных лун. Во время этих пролетов он будет измерять их гравитационное и магнитное поле, сканировать их поверхность и подповерхностные структуры, а также искать следы органических веществ и биологической активности. Для этого на борту Juice установлено 10 научных приборов, включая камеры, спектрометры, радар и магнитометр.

Но прежде чем Juice сможет начать свое исследование системы Юпитера, ему предстоит преодолеть долгий и сложный путь через солнечную систему.

Разве до Юпитера так далеко?

Дело в том, что Juice не может просто лететь прямо к Юпитеру, потому что ему нужно противостоять огромному гравитационному притяжению солнца, которое тянуло бы его назад. Если бы Juice хотел достичь Юпитера своими силами, ему пришлось бы быть почти одним большим топливным баком, а не научной лабораторией. Поэтому Juice использует хитрый прием, который называется «гравитационная помощь», «гравитационный маневр» или «пролет».

Суть этого приема заключается в том, что Juice пользуется гравитационным полем различных планет по пути, чтобы получить дополнительную энергию и ускорение. Juice пролетает мимо планеты на определенном расстоянии и под определенным углом, чтобы «подхватить» ее гравитацию и изменить свою траекторию и скорость. Таким образом, Juice экономит топливо и время, а также корректирует свой курс к Юпитеру.

Всего Juice совершит шесть таких пролетов: один мимо Луны, один мимо Венеры и четыре мимо Земли. Первый пролет мимо Луны пройдет в августе 2024 года, спустя год с небольшим после запуска. Это будет первый когда либо совершавшийся двойной пролет, когда Juice сначала пройдет мимо Луны, получит дополнительный импульс, а затем мимо Земли, чтобы увеличить его еще больше. Этот маневр называется Лунно-Земная Гравитационная Помощь (LEGA). Он позволит Juice изменить свою орбиту вокруг солнца и выйти на траекторию к Венере.

Второй пролет мимо Венеры состоится в мае 2025 года. Венера — самая близкая к Земле планета, которая имеет похожую массу и размер. Она также имеет сильное гравитационное поле, которое может дать Juice значительное ускорение. Пролет мимо Венеры поможет Juice подняться выше по солнечной системе и приблизиться к Юпитеру. Третий и четвертый пролеты мимо Земли состоятся в октябре 2026 года и сентябре 2029 года соответственно. Эти пролеты будут проходить без участия Луны, но все равно помогут Juice увеличить свою скорость и высоту. А вот проведя четвертый пролета мимо Земли Juice окончательно выйдет на орбиту, ведущую его к Юпитеру.

Тонкости управления

Но чтобы совершить все эти пролеты, Juice должен прибыть к каждой планете в точно определенное время, с определенной скоростью и под определенным углом. Для этого ему нужно корректировать свою траекторию по ходу полета. И здесь в игру вступает основной двигатель Juice, который способен изменять скорость космического аппарата на сотни метров в секунду. Основной двигатель Juice — это мощный и сложный механизм, который работает на жидком топливе и окислителе. Он состоит из сопла, камеры сгорания, насосов, клапанов и трубопроводов. Он установлен на задней части космического аппарата и может поворачиваться на небольшой угол для управления направлением тяги. Основной двигатель Juice был испытан сразу после запуска, но длительное время, аж до ноября 2023 года он не использовался для таких сложных манипуляций как та, о которой сейчас пойдет речь. 17 ноября 2023 года Juice провел одну из самых важных корректировок на пути своего многолетнего путешествия к Юпитеру. Используя свой основной двигатель, Juice скорректировал путь вокруг солнца, для выхода на правильную траекторию летнего двойного пролета Земли-Луны. Эта корректировка длилась целых 43 минуты, в ее ходе было израсходовано почти 10% запасенного топлива космического аппарата. Это была первая часть маневра состоящего из двух частей, для вывода Juice на правильную траекторию. В его ходе было сделано 95% работы, а скорость Juice изменилась почти на 200 м/с. Juice — имеет общую массу порядка 6 тонн, и является одним из самых тяжелых из когда-либо запущенных аппаратов, поэтому не удивительно, что для этого потребовалось очень много энергии и, следовательно, много топлива.

Несколько недель спустя, когда команды ЕКА проведут анализ новой орбиты Juice, они выполнят вторую, менее энергозатратную часть корректировки. Такое разделение на два этапа позволит устранить возможные неточности первого запуска двигателя. И ещё один маневр, с применением уже малых тяговых двигателей Juice, будет проведен в мае 2024 года для окончательной точной настройки во время приближения к Земле.

Если все пройдет хорошо, Juice, вероятно, не будет использовать свой основной двигатель снова до входа на орбиту Юпитера в 2031 году. Для различных небольших подстроек Juice будет применять свои меньшие тяговые двигатели, которые расположены на разных сторонах космического аппарата и могут легко включаться и выключаться по необходимости. Эти двигатели работают на том же топливе, что и основной двигатель, но сжигают его в гораздо меньших количествах.

Так же в ходе своего путешествия, Juice будет изучать планеты и спутники, встречающиеся на его пути. Он будет делать их снимки, и передавать их на Землю.

Следующий раз, когда Juice придется включить свой основной двигатель, наступит через 13 часов после того как он пролетит мимо Ганимеда и войдет в систему Юпитера. Космическому аппарату необходимо будет выполнить замедление на 1 км/с — что в целых пять раз превышает изменение скорости, достигнутое при недавнем запуске. Это потребует сжигания почти половины оставшегося топлива Juice. Этот маневр будет критически важен для успеха миссии, потому что если он не удастся, Juice может пролететь мимо Юпитера или столкнуться с ним.

Если же все пройдет по плану, Juice станет первым космическим аппаратом, который войдет на орбиту вокруг Юпитера с 2003 года, когда это сделала американская миссия Galileo. Juice будет находиться на высокоэллиптической орбите, которая позволит ему приближаться и отдаляться от Юпитера и его лун. Во время своей миссии Juice совершит 26 пролетов мимо Ганимеда, 5 пролетов мимо Каллисто и 4 пролета мимо Европы. Он также будет наблюдать за самим Юпитером, его атмосферой, облаками, бурями, молниями, полярными сияниями и магнитосферой.