Миссия НАСА на Уран

Несмотря на то, что порой Уран различим невооружённым глазом, более ранние наблюдатели принимали его за звезду из-за его тусклости и медленной орбиты. С появлением больших телескопов и новых методов наблюдения, Уран стал первой планетой, обнаруженной в Новое время в 1781 году. Уильям Гершель первоначально полагал, что обнаружил комету или звездный диск, но его более поздние исследования показали истинную природу и местоположение Урана в нашей Солнечной системе. Названная в честь греческого бога неба Урана, он делает одно вращение вокруг Солнца за 84 года (по сравнению с 11,9 у Юпитера и 29,5 у Сатурна), на расстоянии в среднем 20 а.е. (3 млрд. км). Это значительно отдалённее более крупных братьев, с гораздо более низкой температурой и большей концентрации «ледяных» летучих веществ, таких как вода, аммиак и метан. На самом деле, поздние измерения нижних слоёв атмосферы Урана показали температуру в 49К (-224°C), как одно из самых холодных мест в Солнечной системе. Ещё одной примечательной особенностью является ось вращения под углом 97,86°, «лёжа на боку слегка вниз головой», у планеты экватор там, где у большинства других планет будет Северный и Южный полюса.

Гершель открыл и первые два спутника – Титанию и Оберон в 1787 году. Позднее в 1851 году Уильямом Ласселом были обнаружены ещё два – Ариэль и Умбриэль, а в 1948 году Джерардом Койпером – Миранда. Эти пять спутников имеют планетарные массы, то есть они могли бы быть рассмотрены в качестве карликовых планет, если бы вращались по прямой орбите вокруг Солнца. Остальные спутники были открыты после 1985 года. Все эти спутники были названы в честь персонажей из произведений Уильяма Шекспира и Александра Поупа. Кольца вокруг планеты были обнаружены в 1977 году; не такие обширные как вокруг Сатурна, но и не такие простые как системы вокруг Юпитера и Нептуна.

До конца 20-го века исследования Урана проходили лишь с помощью телескопов. Это поменялось лишь в 1986 году, когда космический аппарат НАСА «Вояджер-2» сделал самый близкий подход и прошел в 81,500 км от вершин облаков. При помощи бортовой оптики удалось обнаружить ещё 10 спутников, 2 кольца, тем самым увеличив общее число известных колец до 11. На пяти крупнейших спутниках удалось увидеть, что их поверхности покрыты метеоритными кратерами и каньонами. У программы «Вояджера-2» был только облёт Урана, так что, в отличие от орбитальной станции, времени на Уран было отведено относительно мало.

Десятилетия проходили без дальнейшего изучения ледяного гиганта – внимание переключилось на Юпитер («Галилео» и «Джуно»), Сатурн («Кассини–Гюйгенс») и Плутон («Новые горизонты»). Проводимые исследования с помощью телескопов открыли ещё больше новых спутников, доведя их общее число до 27. В НАСА и ЕКА обсуждались несколько концепций миссии на Уран в конце 2000-х и начале 2010-х годов, включая совместное сотрудничество между двумя организациями. Однако, они имели более низкий приоритет по сравнению с Марсом и Юпитером.

К концу 2010-х годов, после успеха этих и различных других миссий по всей Солнечной системе, нужны были новые цели для исследований, и Уран стал рассматриваться как более перспективный кандидат. Астрономы обнаружили, что более всего распространены экзопланеты по массе схожие с Ураном и Нептуном, нежели газовые гиганты, как Юпитер и Сатурн. Определение основного состава и внутренней структуры этих ледяных гигантов позволит восполнить существенный пробел в знаниях о том, как формируются другие звёздные системы. С близкого расстояния исследование также позволило бы увидеть больше особенностей у необычайно динамичных ледяных лун, колец, странных магнитных полей; а также, возможно, обнаружить новые спутники. Кроме того, в течение нескольких десятилетий после посещения «Вояджером-2», Уран достаточно сместился по своей орбите и его экватор теперь больше повёрнут к свету. Это делает его атмосферу менее слабой и невыразительной, чем раньше, можно рассмотреть огромные бури и вихри.

В своих целях на 2013-2022 годы, НАСА включило возвращение к Урану или Нептуну в качестве одной из своих долгосрочных целей. Урану отдаётся предпочтение в связи с более удобной планетарной ориентации. В июне 2017 года НАСА опубликовала работу – “Ice Giants: Pre-Decadal Survey Mission Study Report” – как предшественник к следующему десятилетнему исследованию (2023–2032). В этом всеобъемлющем 529-страничном докладе более подробно описываются параметры, доступные для миссии к Урану и Нептуну; большинство концепций предлагают десантирование зондов в ледяную атмосферу гигантов, отделяемых от основного корабля, оставшегося на орбите в течение двух-трех лет. Из-за снижения солнечного света во внешней Солнечной системе, должны использоваться источники ядерной энергии вместо солнечных батарей. Научные станции с полезной нагрузкой до 150 кг должны включать в себя набор камер, магнитометров, спектрометров и приборов допплерометрии для обнаружения «сейсмических волн» вокруг каменного ядра и слоёв ледяной мантии.

Для Урана оптимальное стартовое окно находится между 2030 и 2034 годами, время в пути займёт около 12 лет. Однако, развитие новых и более мощных ракет, таких как «Система космических запусков» (Space Launch System – SLS) НАСА, предоставит возможность выиграть четыре года на полёт. Таким образом, появился график миссии между 2038 и 2046 гг. Использование SLS потребует особой технологии «скольжения» по внешней атмосфере планеты, чтобы не промахнуться мимо цели и вовремя затормозить.

Несмотря на назначенную на 2030 год дату запуска, НАСА испытывала ряд ставших обычными задержек и бюджетных проблем, как и постигших многие её предыдущие миссии. Следовательно, миссия на Уран была отодвинута ближе к концу стартового окна. Однако, SLS была опробована в других дальних космических путешествиях и теперь была использована для более быстрого транзита через всю Солнечную систему, компенсируя вышеупомянутые задержки.

К 2042 году миссия на Уране идёт полным ходом, раскрывая множество научных тайн о его атмосфере, строении, кольцах и спутниках. Планета фотографируется по всей площади с беспрецедентной детализацией; получены изображения десятков спутников с потрясающим разрешением, в то время как обнаруживаются и различные новые спутники.