Титан — самый крупный спутник Сатурна. Он очень похож на Землю: там те же процессы, плотная азотная атмосфера и даже озера на поверхности. Правда, озера эти не из воды, а из жидких углеводородов. Из-за этого ученые хотят изучить Титан как можно тщательнее. Вот только сделать это непросто. Гравитационное поле спутника распределено неравномерно, атмосфера наполнена густой дымкой, а солнечного света почти нет.

Все эти факторы серьезно мешают орбитальным миссиям. Обычный одиночный спутник с такими условиями не справляется: он не может одновременно и следить за поверхностью, и держать устойчивую связь, и оставаться на орбите без постоянной коррекции. Вдобавок гравитация самого Сатурна и соседних лун постоянно сбивает аппарат с курса. Поэтому исследователям понадобилась новая схема — целое созвездие спутников, которое сохраняло бы устойчивость, регулярно облетало поверхность, тратило мало топлива и не теряло сигнал. Группа ученых из Университета штата Сан-Паулу (Бразилия), Университета Сарагосы (Испания) и Национального института космических исследований (INPE) взялась за эту задачу и разработала новую орбитальную схему специально для Титана.

Исследование вышло в журнале Satellite Navigation. Ученые предложили так называемую двумерную модель «Ожерелье» (Necklace Flower Constellation), которая учитывает особенности гравитации и атмосферы спутника Сатурна. Они выяснили, как с помощью замороженных орбит и синхронизированных траекторий можно добиться устойчивого и перекрывающегося покрытия поверхности. В будущем такие спутники смогут наблюдать за озерами, дюнами и круговоротом метана на Титане.

Чтобы спроектировать такую сеть, команда использовала передовые методы небесной механики — теорию цветочных созвездий (Flower Constellation Theory) и ее расширенный двумерный вариант «Ожерелье». Эти методы позволяют расположить несколько космических аппаратов в согласованных орбитальных плоскостях. Все они движутся по одинаковым траекториям во вращающейся системе отсчета, так что риск столкновений практически исключен. Ученые учли главные гравитационные помехи Титана — так называемые гармоники J₂ и J₃. Так они определили высоты, на которых орбиты остаются стабильными: примерно от 1400 до 20 000 километров.

На основе этих данных спроектировали два примера созвездий — «Титан I» и „Титан II“. Первое нацелено на полярные углеводородные моря — например, Кракен-Маре и Онтарио-Лак. Второе — на экваториальные области с песчаными дюнами. Обоим созвездиям хватит всего шести спутников, чтобы покрыть всю поверхность Титана. При этом спутники будут возвращаться к одним и тем же районам через большие промежутки времени, но им потребуется очень мало топлива. Численные расчеты с помощью интегратора IAS15 подтвердили: такие созвездия сохраняют повторяющиеся наземные трассы и замороженные свойства долгое время, даже под влиянием Сатурна. Для экваториальных случаев аппараты не выходят из строя, не сталкиваются и не покидают орбиту.

Анализ стоимости и доступности

Сама технология расчета — математическая, то есть почти бесплатная: любому университету или инженеру достаточно компьютера и открытых программ для небесной механики. А вот воплотить такую систему на практике — очень дорого. Вывести шесть спутников к Титану, поддерживать с ними связь и следить за орбитами — миллиарды долларов. Пока что это доступно только крупным космическим агентствам вроде NASA или европейского космического агентства. Но если кто-то из них возьмется за миссию, стоимость может снизиться за счет использования малых спутников и общей ракеты.

Что было до этого

Ранее все проекты орбитальных аппаратов у Титана были одиночными — как «Кассини» или гипотетический посадочный зонд. Они либо не могли постоянно следить за поверхностью, либо быстро теряли устойчивость. Попытки сделать сеть спутников были, но без учета сложной гравитации и с большим расходом топлива. Впервые показано, что даже с помехами от Сатурна и соседних лун можно создать устойчивое созвездие всего из шести аппаратов.

Возможный вред

Единственный гипотетический вред — если по ошибке заложить неверные параметры, спутники могут столкнуться или упасть на Титан, загрязнив его поверхность земными микроорганизмами. Но это проблема любой космической миссии, и авторы прямо пишут о необходимости стерилизации аппаратов.

Когда человечество сможет увидеть результат новой разработки

В течение 10–15 лет, если NASA или ESA построят миссию на основе этой схемы, любой желающий сможет увидеть прямые трансляции с Титана, снимки озер и дюн, а ученые на основе этих данных сделают модели, доступные онлайн.

Сравнение с аналогами

Единственный прямой аналог — проекты созвездий спутников для Марса (например, Mars Telecommunications Orbiter, нереализованный) и теоретические схемы для Европы (спутника Юпитера). У марсианских аналогов проблема в другом — разреженная атмосфера и пыль, но гравитация там спокойнее. Схема для Титана уникальна тем, что учитывает сильные возмущения от центральной планеты (Сатурна) и неоднородности самого Титана. По сравнению с марсианскими проектами здесь в два-три раза сложнее удержать орбиту, но авторы показали, что это возможно. Главное преимущество перед аналогами — экономия топлива за счет замороженных орбит. Недостаток — сложность расчетов: не каждый инженер сможет повторить.

Критика и главный подвох

Авторы признают, что их модель двумерная. А реальный космос трехмерный. То есть они упростили задачу, предположив, что все спутники движутся в одной плоскости или в очень близких плоскостях. На практике же гравитация Сатурна будет вытягивать орбиты в третьем измерении, и через несколько лет синхронизация может нарушиться. Кроме того, расчеты сделаны для идеальных условий — без учета микрометеоритов, сбоев электроники и задержек связи. Самый большой подвох: «замороженные орбиты» не вечны. Они стабильны, но только в пределах нескольких лет. Для миссии в 10–15 лет все равно потребуется коррекция, а авторы пишут про „минимальный расход топлива“ — но не уточняют, насколько минимальный. Критику можно смягчить, заметив, что это норма для предварительных исследований, но для реального проекта данных пока недостаточно.

Что дальше

Авторы надеются, что их схема станет образцом не только для Титана, но и для других спутников и малых небесных тел. Благодаря устойчивости и экономии топлива такие созвездия идеально подходят для долгих наблюдений, картографирования и ретрансляции сигналов. А если удастся долго следить за метановым циклом и углеводородными морями Титана, это поможет понять, как возникали предбиологические процессы на ранней Земле.

Лукас С. Феррейра, ведущий автор из Университета штата Сан-Паулу, говорит:

Наше исследование показывает, что тщательно спроектированные созвездия спутников могут изменить подход к изучению далеких лун вроде Титана. Соединяя математическую стройность с орбитальным реализмом, модель «Ожерелье» обеспечивает устойчивость, покрытие и эффективность в экстремальных условиях. Это поможет будущим планетным миссиям, где необходимо непрерывное наблюдение за поверхностью, но условия очень суровы. Надеемся, что нашу схему используют для полетов к спутникам Сатурна и вдохновятся ею для других совместных орбитальных проектов по всей Солнечной системе.

Ранее ученые составили топографическую карту Титана.