Tuần trước, từ thứ Hai ngày 27 tháng 2 đến thứ Tư ngày 1 tháng 3, NASA đã tổ chức Hội thảo Khoa học Hành tinh Tầm nhìn 2050 tại Trụ sở của họ ở Washington, DC. Trong quá trình diễn thuyết, diễn thuyết và địa chỉ tạo nên hội thảo, NASA và các chi nhánh của nó đã chia sẻ nhiều đề xuất của họ cho tương lai của việc thăm dò Hệ mặt trời.
Một chủ đề rất phổ biến trong hội thảo là khám phá Titan. Ngoài việc là cơ quan duy nhất khác trong Hệ Mặt Trời có bầu khí quyển giàu nitơ và chất lỏng có thể nhìn thấy trên bề mặt, nó còn có một môi trường giàu hóa chất hữu cơ. Vì lý do này, một nhóm do Michael Pauken (từ Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực của NASA) đã tổ chức một buổi thuyết trình chi tiết về nhiều cách có thể khám phá bằng máy bay.
Bài thuyết trình có tiêu đề Khoa học tại nhiều khu vực khoa học tại Titan sử dụng các nền tảng trên không, cũng được chủ trì bởi các thành viên của ngành hàng không vũ trụ - như AeroVironment và Global Aerospace từ Monrovia, California và Thin Red Line Aerospace từ Chilliwack, BC. Cùng nhau, họ đã xem xét các khái niệm nền tảng trên không khác nhau đã được đề xuất cho Titan từ năm 2004.
Trong khi khái niệm khám phá Titan bằng máy bay không người lái và khinh khí cầu có từ những năm 1970 và 80, thì năm 2004 đặc biệt quan trọng vì vào thời điểm này, tàu đổ bộ Huygens đã thực hiện chuyến thám hiểm đầu tiên trên bề mặt mặt trăng. Kể từ thời điểm đó, nhiều đề xuất thú vị và khả thi cho các nền tảng trên không đã được thực hiện. Như Tiến sĩ Pauken đã nói với Tạp chí Không gian qua email:
“Nhiệm vụ Cassini-Huygens đã tiết lộ rất nhiều về Titan mà chúng tôi đã không biết trước đó và điều đó cũng đặt ra nhiều câu hỏi hơn. Nó giúp chúng tôi xác định rằng việc chụp ảnh bề mặt có thể ở độ cao dưới 40 km, vì vậy thật thú vị khi biết rằng chúng tôi có thể chụp ảnh Titan trên không và gửi chúng về nhà.
Những khái niệm này có thể được chia thành hai loại, đó là craft Light-Than-Air (LTA) và Heavier-Than-Air (HTA). Và như Pauken đã giải thích, cả hai đều rất phù hợp khi khám phá một mặt trăng như Titan, có bầu khí quyển thực sự dày hơn Trái đất - 146,7 kPa ở bề mặt so với 101 kPa ở mực nước biển trên Trái đất - nhưng chỉ 0,14 nhân với trọng lực (tương tự Mặt trăng).
Mật độ của bầu khí quyển Titan Titan cao hơn Trái đất, vì vậy thật tuyệt vời khi bay các phương tiện nhẹ hơn không khí như khinh khí cầu, ông nói. Trọng lực thấp của Titan Titan là một lợi ích cho các phương tiện nặng hơn không khí như máy bay trực thăng hoặc máy bay vì chúng sẽ cân nặng ít hơn so với trên Trái đất.
Các khái niệm LTA nhẹ hơn không khí rất nổi và không cần bất kỳ năng lượng nào để ở trên cao, vì vậy nhiều năng lượng hơn có thể được hướng vào các công cụ khoa học và truyền thông. Các khái niệm nặng hơn không khí phải tiêu thụ năng lượng để ở trong không khí lấy đi từ khoa học và viễn thông. Nhưng HTA có thể được hướng đến các mục tiêu nhanh hơn và chính xác hơn các phương tiện LTA chủ yếu trôi theo gió.
Bong bóng TSSM Montgolfiere:
Kế hoạch sử dụng khinh khí cầu Montgolfiere để khám phá Titan từ năm 2008, khi NASA và ESA cùng phát triển khái niệm Nhiệm vụ hệ thống Titan Saturn (TSSM). Một khái niệm Nhiệm vụ hàng đầu, TSSM sẽ bao gồm ba yếu tố bao gồm quỹ đạo của NASA và hai yếu tố tại chỗ do ESA thiết kế - một tàu đổ bộ để khám phá các hồ Titan Titan và khinh khí cầu Montgolfiere để khám phá bầu khí quyển của nó.
Quỹ đạo sẽ dựa vào Hệ thống năng lượng đồng vị phóng xạ (RPS) và Động cơ điện mặt trời (SEP) để tiếp cận hệ thống Sao Thổ. Và trên đường tới Titan, nó sẽ chịu trách nhiệm kiểm tra từ trường Saturn, bay qua các chùm khí của Enceladus để phân tích nó cho các dấu hiệu sinh học và chụp ảnh Enceladus vào một trong những khu vực cực nam.
Một khi quỹ đạo đã đạt được sự chèn vào quỹ đạo với Sao Thổ, nó sẽ giải phóng Montgolfiere trong chuyến bay Titan đầu tiên của nó. Kiểm soát thái độ cho khinh khí cầu sẽ được cung cấp bằng cách đốt nóng khí xung quanh bằng nhiệt thải RPS. Nhiệm vụ chính sẽ kéo dài tổng cộng khoảng 4 năm, bao gồm chuyến tham quan Sao Thổ hai năm, giai đoạn lấy mẫu aero Titan 2 tháng và giai đoạn quay quanh Titan 20 tháng.
Về lợi ích của khái niệm này, rõ ràng nhất là thực tế là một chiếc xe Montgolfiere do RPS cung cấp có thể hoạt động trong bầu khí quyển Titan Titan trong nhiều năm và có thể thay đổi độ cao chỉ với việc sử dụng năng lượng tối thiểu. Vào thời điểm đó, khái niệm TSSM đang cạnh tranh với các đề xuất sứ mệnh cho các mặt trăng của Europa và Ganymede.
Vào tháng 2 năm 2009, cả khái niệm TSSM và Europa Jupiter System Mission (EJSM) đã được chọn để tiến lên cùng với sự phát triển, nhưng EJSM được ưu tiên hàng đầu. Nhiệm vụ này đã được đổi tên thành Europa Clipper và dự kiến ra mắt vào năm 2020 (và đến Europa vào năm 2026).
Khinh khí cầu Titan:
Nghiên cứu sau đó về bóng bay Montgolfiere cho thấy rằng nhiều năm phục vụ và chi tiêu năng lượng tối thiểu cũng có thể đạt được trong một thiết kế khinh khí cầu nhỏ gọn hơn nhiều. Bằng cách kết hợp một thiết kế bao bọc với helium, một nền tảng như vậy có thể hoạt động trên bầu trời Titan dài gấp bốn lần bóng bay ở đây trên Trái đất, nhờ tốc độ khuếch tán chậm hơn nhiều.
Kiểm soát độ cao cũng có thể với lượng năng lượng rất khiêm tốn, có thể được cung cấp thông qua bơm hoặc nén cơ học. Do đó, với một RPS cung cấp sức mạnh, nền tảng có thể được dự kiến sẽ tồn tại lâu hơn các thiết kế bóng bay tương đương. Bong bóng khí helium này cũng có thể được ghép nối với một tàu lượn để tạo ra một chiếc xe nhẹ hơn không khí có khả năng chuyển động bên.
Ví dụ về điều này bao gồm Titan Winged Aerobot (TWA, được hiển thị bên dưới), được điều tra như một phần của chương trình Nghiên cứu Đổi mới Doanh nghiệp Nhỏ (SBIR) của NASA. Được phát triển bởi Tập đoàn hàng không vũ trụ toàn cầu, hợp tác với Northrop Grumman, TWA là một phương tiện nhập cảnh lai, khinh khí cầu và tàu lượn cơ động với điều khiển 3 chiều có thể đáp ứng nhiều mục tiêu khoa học.
Giống như khái niệm Mongtolfiere, nó sẽ dựa vào sức mạnh tối thiểu được cung cấp bởi một RPS duy nhất. Hệ thống nổi độc đáo của nó cũng sẽ cho phép nó hạ xuống và bay lên mà không cần hệ thống đẩy hoặc bề mặt điều khiển. Một nhược điểm là thực tế là nó không thể hạ cánh trên bề mặt mặt trăng để tiến hành nghiên cứu và sau đó cất cánh trở lại. Tuy nhiên, thiết kế không cho phép bay ở độ cao thấp, điều này sẽ cho phép đưa tàu thăm dò lên bề mặt.
Các khái niệm khác đã được phát triển trong những năm gần đây bao gồm máy bay nặng hơn không khí, xoay quanh việc phát triển các phương tiện cánh cố định và cánh quạt.
Xe cánh cố định:
Các khái niệm cho máy bay cánh cố định cũng đã được đề xuất trong quá khứ cho một nhiệm vụ đến Titan. Một ví dụ đáng chú ý trong số này là Phương tiện bay trên không cho Trinh sát Titan tại chỗ và trên không (AVIATR), một máy bay không người lái (UAV) đã được Jason Barnes và Lawrence Lemke đề xuất vào năm 2011 (thuộc Đại học Idaho và Đại học Trung tâm Michigan, tương ứng).
Dựa vào một RPS sẽ sử dụng nhiệt thải của Plutonium 238 phân rã để cung cấp năng lượng cho một tuabin nhỏ phía sau, chiếc máy có công suất thấp này sẽ tận dụng bầu không khí dày đặc Titan và trọng lực thấp để thực hiện chuyến bay duy trì. Một chiến lược mới của Leo leo lên sau đó lướt qua, trong đó động cơ sẽ ngừng hoạt động trong thời gian trượt, cũng sẽ cho phép năng lượng được lưu trữ để sử dụng tối ưu trong các phiên viễn thông.
Điều này giải quyết một nhược điểm lớn của các phương tiện cánh cố định, đó là nhu cầu chia nhỏ sức mạnh giữa nhu cầu duy trì chuyến bay và tiến hành nghiên cứu khoa học. Tuy nhiên, AVIATR bị giới hạn ở một khía cạnh, ở chỗ nó không thể rơi xuống bề mặt để tiến hành các thí nghiệm khoa học hoặc thu thập các mẫu.
Cánh quạt:
Cuối cùng, nhưng không kém phần quan trọng, là khái niệm cho một tàu cánh quạt. Trong trường hợp này, nền tảng trên không sẽ là một quad quad, rất phù hợp với bầu khí quyển Titan Titan, sẽ cho phép dễ dàng đi lên và hạ xuống, và cho các nghiên cứu được thực hiện trên bề mặt. Nó cũng sẽ tận dụng lợi thế của sự phát triển trong UAV thương mại và máy bay không người lái trong những năm gần đây.
Khái niệm nhiệm vụ này sẽ bao gồm hai thành phần. Một mặt, có một chiếc máy bay cánh quạt - được gọi là Titan Aerial D daughtercraft (TAD) - sẽ dựa vào hệ thống pin có thể sạc lại để tự cung cấp năng lượng trong khi thực hiện các chuyến bay trong thời gian ngắn (khoảng một giờ mỗi lần). Thành phần thứ hai là mẹ Mothercraft, sẽ có hình dạng của một tàu đổ bộ hoặc khinh khí cầu, mà TAD sẽ quay trở lại giữa các chuyến bay để nạp lại từ RPS trên máy bay.
Hiện tại, Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực của NASA, đang phát triển một khái niệm tương tự, được gọi là Máy bay trực thăng Mars Scout, để sử dụng trên Sao Hỏa - dự kiến sẽ được đưa lên tàu trong nhiệm vụ Sao Hỏa 2020. Trong trường hợp này, thiết kế yêu cầu hai cánh quạt quay ngược chiều đồng trục, sẽ cung cấp tỷ lệ lực đẩy trên trọng lượng tốt nhất trong bầu khí quyển mỏng Mars Mars.
Một khái niệm cánh quạt khác đang được Elizabeth Rùa và các đồng nghiệp từ John Hopkins APL và Đại học Idaho (bao gồm cả James Barnes) theo đuổi. Với sự hỗ trợ của NASA và các thành viên của Trung tâm bay không gian Goddard, Đại học bang Pennsylvania và Honeybee Robotics, họ đã đề xuất một khái niệm được gọi là Dragon Dragonfly.
Máy bay trên không của họ sẽ dựa vào bốn động cơ quay để tận dụng bầu không khí dày Titan Titan và trọng lực thấp. Thiết kế của nó cũng sẽ cho phép nó dễ dàng lấy mẫu và xác định thành phần của bề mặt trong nhiều cài đặt địa chất. Những phát hiện này sẽ được trình bày tại Hội nghị Khoa học Hành tinh và Hành tinh lần thứ 48 sắp tới - sẽ diễn ra từ ngày 20 đến 24 tháng 3 tại The Woodlands, Texas.
Mặc dù việc thăm dò Titan có khả năng sẽ trở lại cuộc thám hiểm Europa trong những thập kỷ tới, nhưng dự đoán rằng một nhiệm vụ sẽ được thực hiện trước giữa thế kỷ này. Không chỉ các mục tiêu khoa học rất giống nhau trong cả hai trường hợp - cơ hội khám phá một môi trường độc đáo và tìm kiếm sự sống ngoài Trái đất - mà cả những lợi ích cũng sẽ được so sánh.
Với mọi cơ thể có khả năng mang sự sống mà chúng ta khám phá, chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về cách cuộc sống bắt đầu trong Hệ Mặt Trời của chúng ta. Và ngay cả khi chúng ta không tìm thấy bất kỳ sự sống nào trong quá trình, chúng ta sẽ học được rất nhiều về lịch sử và sự hình thành của Hệ Mặt Trời. Trên hết, chúng ta sẽ tiến một bước gần hơn để hiểu được vị trí của loài người trong Vũ trụ.
