Förra veckan, från måndag 27 februari till onsdag 1 mars, var NASA värd för "Planetetary Science Vision 2050 Workshop" vid deras huvudkontor i Washington, DC. Under de många presentationer, tal och adresser som utgjorde verkstaden delade NASA och dess medlemsförbund sina många förslag för framtiden för solsystemutforskning.
Ett mycket populärt tema under workshopen var utforskningen av Titan. Förutom att det är den enda andra kroppen i solsystemet med en kväverik atmosfär och synlig vätska på ytan, har den också en miljö rik på organisk kemi. Av detta skäl höll ett team under ledning av Michael Pauken (från NASA: s Jet Propulsion Laboratory) en presentation med detaljer om de många sätt det kan utforskas med flygfordon.
Presentationen, med titeln "Science at a Variety of Scientific Regions at Titan using Aerial Platforms", ordfördes också av medlemmar i flygindustrin - som AeroVironment och Global Aerospace från Monrovia, Kalifornien, och Thin Red Line Aerospace från Chilliwack, FÖRE KRISTUS. Tillsammans granskade de de olika flygplatskoncept som har föreslagits för Titan sedan 2004.
Medan konceptet att utforska Titan med flygdroner och ballonger går tillbaka till 1970- och 80-talet, var 2004 särskilt viktigt eftersom det var vid denna tid som Huygens landare genomförde den första utforskningen av månens yta. Sedan dess har många intressanta och genomförbara förslag till flygplattformar lagts fram. Som Dr. Pauken berättade för Space Magazine via e-post:
“Cassini-Huygens uppdrag avslöjade mycket om Titan som vi inte visste förut och det har också väckt mycket fler frågor. Det hjälpte oss att avgöra att bildytan är möjlig under 40 km höjd så det är spännande att veta att vi kan ta flygfoton av Titan och skicka dem hem. "
Dessa koncept kan delas in i två kategorier, som är Lighter-Than-Air (LTA) craft och Heavier-Than-Air (HTA) craft. Och som Pauken förklarade är dessa båda väl lämpade när det gäller att utforska en måne som Titan, som har en atmosfär som faktiskt är tätare än jordens - 146,7 kPa vid ytan jämfört med 101 kPa vid havsnivån på jorden - men bara 0,14 gånger tyngdkraften (liknande månen).
"Tätheten i Titans atmosfär är högre än jordens så det är utmärkt för att flyga lättare än luftfordon som en ballong," sade han. "Titans låga tyngdkraft är en fördel för tyngre fordon än helikoptrar eller flygplan eftersom de kommer att" väga "mindre än de skulle på jorden."
"LTA-än-luft-LTA-konceptet är flytande och behöver inte någon energi för att hålla sig högt, så mer energi kan riktas mot vetenskapliga instrument och kommunikation. De tyngre än luften-konceptet måste konsumera kraften för att stanna i luften som tar bort från vetenskap och telekom. Men HTA kan riktas mot mål snabbare och mer exakt de LTA-fordon som mestadels driver med vinden. ”
TSSM Montgolfiere Balloon:
Planer för att använda en Montgolfiere-ballong för att utforska Titan går tillbaka till 2008, då NASA och ESA gemensamt utvecklade konceptet Titan Saturn System Mission (TSSM). Ett flaggskeppsmissionskoncept skulle TSSM bestå av tre element inklusive en NASA-omloppsbana och två ESA-designade in-situ-element - en lander för att utforska Titans sjöar och en Montgolfiere-ballong för att utforska dess atmosfär.
Omkringaren skulle förlita sig på ett radioisotopiskt kraftsystem (RPS) och en solelektrisk framdrivning (SEP) för att nå Saturn-systemet. Och på väg till Titan skulle det vara ansvarigt för att undersöka Saturnus magnetosfär, flyga genom Enceladus plommor för att analysera den för biologiska markörer och ta bilder av Enceladus ”Tiger Stripes” i den södra polära regionen.
När orbiten hade uppnått orbitalinsättning med Saturn, skulle den släppa Montgolfiere under sin första Titan flyby. Attitydkontroll för ballongen skulle tillhandahållas genom att värma upp den omgivande gasen med RPS-spillvärme. Det primära uppdraget skulle pågå i cirka fyra år, bestående av en två-årig Saturn-turné, en 2-månaders Titan-aero-samplingsfas och en 20-månaders Titan-omloppsfas.
Av fördelarna med detta koncept är det mest uppenbara det faktum att ett Montgolfiere-fordon som drivs av RPS skulle kunna fungera i Titans atmosfär under många år och skulle kunna ändra höjd med endast minimal energianvändning. Vid den tiden tävlade TSSM-konceptet med uppdragsförslag för månarna i Europa och Ganymede.
I februari 2009 valdes både TSSM och Europa Jupiter System Mission (EJSM) -konceptet för att gå vidare med utvecklingen, men EJSM fick första prioritet. Detta uppdrag döptes till Europa Clipper och planeras för lansering 2020 (och anländer till Europa år 2026).
Titan Helium Balloon:
Efterföljande forskning om Montgolfiere-ballonger avslöjade att många års service och minimala energiförbrukningar också kunde uppnås i en mycket mer kompakt ballongkonstruktion. Genom att kombinera en höljet design med helium skulle en sådan plattform kunna fungera i Titans himmel i fyra gånger så länge som ballonger här på jorden, tack vare en mycket långsammare diffusion.
Höjdstyrning skulle också vara möjlig med mycket blygsamma mängder energi, som kan tillhandahållas antingen genom pump eller mekanisk kompression. Således, med en RPS som tillhandahåller kraft, kunde plattformen förväntas hålla längre än jämförbara ballongkonstruktioner. Denna kuvert-heliumballong kan också kopplas ihop med en glidflygare för att skapa ett lättare fordon än luft som också kan röra sig i sidled.
Exempel på detta inkluderar Titan Winged Aerobot (TWA, visad nedan), som undersöktes som en del av NASA: s fas ett 2016 Small Business Innovation Research (SBIR) -program. TWA är utvecklat av Global Aerospace Corporation, i samarbete med Northrop Grumman, och är ett hybridbil, ballong och manövrerbart glidflygplan med 3-D riktningskontroll som kan uppfylla många vetenskapliga mål.
Liksom Mongtolfiere-konceptet skulle det lita på minimal kraft som tillhandahålls av en enda RPS. Dess unika flytkraftsystem skulle också tillåta det att gå ner och stiga utan behov av framdrivningssystem eller kontrollytor. En nackdel är att det inte kan landa på månens yta för att bedriva forskning och sedan ta fart igen. Konstruktionen möjliggör emellertid flygning i låg höjd, vilket skulle möjliggöra leverans av sonder till ytan.
Andra koncept som har utvecklats under de senaste åren inkluderar tyngre flygplan än centralt kring utvecklingen av fasta vingar och rotorbåtar.
Fast fordon:
Koncept för flygplan med fast vinge har tidigare föreslagits för ett uppdrag till Titan. Ett anmärkningsvärt exempel på detta är Aerial Vehicle for In-situ and Airborne Titan Reconnaissance (AVIATR), ett obemannat flygbil (UAV) som föreslogs av Jason Barnes och Lawrence Lemke 2011 (från University of Idaho och Central Michigan University, respektive).
Genom att förlita sig på en RPS som skulle använda spillvärmen från att ruttna Plutonium 238 för att driva en liten bakmonterad turbin, skulle detta lågkraftsfarkost dra fördel av Titans täta atmosfär och låga tyngdkraft för att genomföra långvarig flygning. En ny strategi för "klättra-då-glida", där motorn stängdes av under glidperioder, skulle också möjliggöra lagring av kraft för optimal användning under telekommunikationssessioner.
Detta åtgärdar en stor nackdel med fasta vingar, vilket är behovet av att dela makt mellan behoven för att upprätthålla flygning och utföra vetenskaplig forskning. AVIATR är emellertid begränsat i ett avseenden genom att den inte kan gå ner till ytan för att utföra vetenskapliga experiment eller samla in prover.
Helikoptrar:
Sist, men inte minst, är konceptet för en rotorbåt. I det här fallet skulle flygplattformen vara en quadcopter, som skulle vara väl lämpad för Titans atmosfär, möjliggöra enkel upp- och nedstigning och för studier som skulle kunna utföras på ytan. Det skulle också dra nytta av utvecklingen inom kommersiella UAV: er och drönare under de senaste åren.
Detta uppdragskoncept skulle bestå av två komponenter. Å ena sidan finns det rotorfarkosten - känd som en Titan Aerial Daughtercraft (TAD) - som skulle förlita sig på ett laddningsbart batterisystem för att driva sig själv när man genomför korta flygningar (ungefär en timme i taget). Den andra komponenten är "Mothercraft", som skulle ta formen av en lander eller ballong, som TAD skulle återgå till mellan flygningar för att ladda från en ombord RPS.
För närvarande utvecklar NASAs Jet Propulsion Laboratory ett liknande koncept, känt som Mars Helicopter "Scout", för användning på Mars - som förväntas lanseras ombord på Mars 2020-uppdraget. I det här fallet kräver designen två koaxiella motvridande rotorer, vilket skulle ge det bästa drivkraftförhållandet i Mars tunna atmosfär.
Ett annat rotorkraftkoncept bedrivs av Elizabeth Turtle och kollegor från John Hopkins APL och University of Idaho (inklusive James Barnes). Med stöd från NASA och medlemmar av Goddard Space Flight Center, Pennsylvania State University och Honeybee Robotics, har de föreslagit ett koncept som kallas ”Dragonfly”.
Deras flygfordon skulle förlita sig på fyra rotorer för att dra fördel av Titans tjocka atmosfär och låga tyngdkraft. Dess utformning skulle också göra det lätt att erhålla prover och bestämma ytans sammansättning i flera geologiska miljöer. Dessa resultat kommer att presenteras vid den kommande 48: e Lunar and Planetary Science-konferensen - som kommer att äga rum från 20 till 24 mars i The Woodlands, Texas.
Medan utforskningen av Titan sannolikt kommer att ta en plats bakom utforskningen av Europa under de kommande decennierna, förväntas det att ett uppdrag kommer att monteras före mitten av detta århundrade. Inte bara är de vetenskapliga målen mycket desamma i båda fallen - en chans att utforska en unik miljö och söka efter liv bortom jorden - utan fördelarna kommer också att vara jämförbara.
Med varje potentiellt livsbärande kropp som vi utforskar står vi för att lära oss mer om hur livet började i vårt solsystem. Och även om vi inte hittar något liv i processen, kommer vi att lära oss en hel del om solsystemets historia och bildning. Dessutom kommer vi att vara ett steg närmare förståelse av mänsklighetens plats i universum.
