Il Frontier di Ingegneria di Comet e Asteroide Campione di ritorno

Nella gerarchia dei profondi sforzi nello spazio, pochi risultati corrispondono all'audacia tecnica di una missione di ritorno di campione da una cometa o un asteroide. Queste operazioni richiedono una sonda spaziale per viaggiare centinaia di milioni di chilometri, rendezvous con un corpo spesso non più grande di un blocco urbano, raccogliere materiali incontaminato dalla sua superficie o sottosopra, e poi consegnare quel carico in modo sicuro alla Terra. Le sfide ingegneristiche sono immense, ma i principi fondamentali di accesso ai blocchi scientifici di laboratorio di costruzione di pagamento è l'articolo di trasformazione

Sfide chiave nella progettazione di Spacecraft per le missioni di ritorno del campione

La progettazione di una sonda per il ritorno del campione è fondamentalmente diversa dalla costruzione di un orbiter o di un lander. La sonda deve eseguire più fasi ad alto rischio: transito spaziale profondo, incontro di precisione, interazione superficiale, acquisizione del campione e contenimento, salita, ritorno della Terra e reinserimento atmosferico. Ogni fase introduce modalità di fallimento che un singolo punto di guasto può incidere.

Sfide ambientali di piccoli corpi

Le particelle di superficie non inquinanti e gli asteroidi possono essere utilizzati per la loro eliminazione. Lo spazio deve sopportare oscillazioni di temperatura estreme, mentre si muovono attraverso orbite che li portano vicino al Sole e poi lontano nel freddo dello spazio profondo. Sulla superficie, le temperature possono variare da ben oltre 100° C in luce diretta al di sotto di -150° C in ombra. La radiazione è un'altra preoccupazione: le particelle energetiche si strofinano dal Sole e cosmico

Collezione di campioni e Integrità di stoccaggio

La contaminazione deve essere immagazzinata in modo che conserva il suo valore scientifico durante i mesi o gli anni di transito verso la Terra. La contaminazione è una preoccupazione primaria: il campione deve essere isolato da gassificazione dalla sonda, da residui propellanti, e da qualsiasi materiale biologico che potrebbe compromettere le future analisi di detezione della vita.

Operazioni e ritardi di tempo autonomi

I ritardi di comunicazione tra la Terra e una sonda spaziale vicino a un asteroide o una cometa possono essere diversi minuti a decine di minuti, a seconda della distanza. Questo rende in tempo reale il telecomando impraticabile per manovre critiche come l'atterraggio, il campionamento e l'ascesa. La sonda deve possedere un alto grado di autonomia, compreso il rilevamento di caso di incidente di bordo e l'elusione, la guida e la navigazione rispetto al bersaglio, e la capacità di eseguire una sequenza di campiombro di campionamento di campionamento di campionamento di campionamento non è strettamente.

Considerazioni di progettazione per il veicolo spaziale di ritorno del campione

Ogni subsistema su un veicolo di ritorno campione deve essere ottimizzato per il profilo di missione specifico. Il processo di progettazione deve bilanciare massa, potenza, controllo termico, affidabilità e costi, pur mantenendo le esigenze uniche delle operazioni di piccolo corpo.

Propulsione e navigazione

La navigazione di precisione è la base di qualsiasi missione di ritorno del campione. Il sistema di propulsione deve essere in grado di fornire bit di impulso molto fini per l'approccio e la manutenzione della stazione, così come le manovre più grandi per la correzione della traiettoria e la combustione di ritorno.

La navigazione si basa sui sensori ottici e laser. La sonda deve costruire un modello dettagliato del corpo di destinazione da lontano, quindi affinare quel modello durante l'approccio. Le telecamere ottiche, LIDAR (Light Detection and Ranging), e talvolta i radar sono utilizzati per mappare la topografia, identificare i siti di campionamento sicuri e monitorare la posizione del corpo della sonda rispetto alla struttura.

Tecnologie di campionamento

Il metodo scelto per la raccolta dei campioni dipende fortemente dalla natura del bersaglio e dal tipo di materiale desiderato. Di seguito sono riportate le principali strategie di campionamento che sono state portate o sono in fase di sviluppo:

  • Touch-and-Go (TAG) Sampling: Questa tecnica, utilizzata dalla NASA OSIRIS-REx e dalla Hayabusa di JAXA, comporta la sonda che scende alla superficie, rendendo breve il contatto, e poi immediatamente il backup.
  • I meccanismi di drenaggio per i campioni di superficie: Per le missioni che richiedono materiale sotto lo strato di superficie atmosferica, è possibile distribuire un trapano rotante o percussivo. La perforazione è più complessa di TAG perché richiede ancoraggio alla superficie per reagire alla coppia di perforazione.
  • Sistemi di prevenzione della contaminazione:[ Tutti i meccanismi di campionamento devono essere progettati per ridurre al minimo la contaminazione. Questo include l'utilizzo di materiali con bassa degassazione, mantenendo i percorsi di campionamento puliti e sigillando immediatamente il contenitore del campione dopo l'acquisizione.
  • Strategie per il rimboschimento e il ghiaccio:[ Per le comete, dove la superficie può consistere di una miscela di polvere, ghiaccio e composti organici, i meccanismi di campionamento devono ospitare una gamma di proprietà meccaniche.

Controllo termico per ambienti estremi

La sonda deve mantenere i suoi componenti interni all'interno delle gamme di temperatura operative, mentre è esposta all'ambiente termico estremo dello spazio profondo e alla vicinanza del corpo di destinazione. Il controllo termico passivo tramite l'isolamento multistrato (MLI), i radiatori e i tubi di ghiaccio sono integrati da riscaldatori attivi e, in alcuni casi, i criocooler per gli strumenti che richiedono basse temperature.

Sistemi di ritorno e di rientro del campione

Il sistema di recupero dell'aria di ritorno è probabilmente il più efficace per il recupero del nervo. La sonda deve staccare una capsula di reinserimento contenente il campione, quindi eseguire una manovra di deflettore per garantire che la capsula entri nell'atmosfera terrestre all'angolo e alla velocità corretta. La capsula deve essere dotata di uno scudo termico in grado di sopravvivere temperature superiori a 2000°C durante l'ingresso atmosferico.

Affidabilità e ridondanza

I sottosistemi critici sono spesso duplicati (processori ridondanti, trasmettitori, propulsori), ma i vincoli di massa impediscono la duplicazione completa di ogni componente, quindi viene eseguita un'analisi dei componenti di scambio per identificare i guasti a punto singolo e mitigarli attraverso il design.

Esempi di missioni passate e future

La comunità ingegneristica ha acquisito un'esperienza preziosa dalle missioni già portate, e ogni missione ha spinto lo stato dell'arte in aree specifiche.

Stardust della NASA (Comet 81P/Wild 2)

Lanciato nel 1999, Stardust è stata la prima missione di restituire materiale extraterrestre dall'esterno del sistema Earth-Moon. Ha usato un collettore riempito di aerogel per catturare particelle di polvere di cometary durante un flyby ad alta velocità di Wild 2. La capsula di ritorno del campione è tornata sulla Terra nel 2006. Stardust ha dimostrato la fattibilità della raccolta di particelle di ipervelocità senza distruggere le particelle, e la sua tecnologia aerogel ha informato i disegni successivi.

Hayabusa e Hayabusa2 di JAXA (Asteroids Itokawa e Ryugu)

Hayabusa (2003-2010) di JAXA è stato un trasmettitore che ha superato gravi problemi tecnici, tra cui una ruota di reazione fallita e problemi motori, per restituire un campione minuscolo di Itokawa. Ha convalidato la propulsione ionica per lo spazio profondo e l'uso del campionamento TAG artificiale. Il suo successore, Hayabusa2 (2014-2020), ha riportato un campione molto più grande (oltre 5 grammi) dall'asteroideor di Ryugu.

OSIRIS-REx della NASA (Asteroid Bennu)

OSIRIS-REx, che ha lanciato nel 2016, ha eseguito un campionamento TAG su Bennu nel 2020 ed è previsto per consegnare il suo campione nel 2023. Bennu è un asteroide rubble-pile con una superficie molto robusta, costringendo la missione a valutare centinaia di potenziali siti di campionamento.

Missioni future sull'orizzonte

La missione dell'ESA, mentre in primo luogo una missione di difesa planetaria, visiterà il sistema binario di Didymos e dispiegare CubeSats per osservazioni ravvicinate.

La progettazione di una sonda per le missioni di ritorno dei campioni è un processo di apprendimento continuo. Ogni missione rivela nuove complessità circa la diversità dei corpi piccoli e la resilienza necessaria per operare nei loro ambienti. Poiché la comunità si muove verso obiettivi più ambiziosi, comprese le comete e il rendezvous multicorpo, le sfide ingegneristiche cresceranno solo. Ma i ricompense scientifici dal ritorno di materiale incontaminato ai laboratori terrestri rimangono il più potente motivatore di questo lavoro.

Per ulteriori approfondimenti tecnici su specifiche missioni, i lettori possono esplorare le pagine della missione Sito di OSIRIS-REx di NASA], Pagina di progetto di JAXA Hayabusa2], e il Sito web di missione di MMX.