埃特纳火山任务概念:评估一个活跃的海洋世界的适居性
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8,埃米利亚诺·卡斯蒂略种社会9,著冈萨雷斯Peytavi10,
安德里亚Guarriello
11,Onalli Gunasekara12,路易斯·琼斯13,•玛利亚Krasteva14,詹妮弗Pouplin15,妮可·维兰纽瓦16和山姆Zaref17
- 1普罗维登斯布朗大学美国国际扶轮
- 2美国宇航局艾姆斯研究中心,莫菲特场、钙、美国
- 3米兰理工大学、米兰、意大利
- 4哥伦比亚大学Eafit,麦德林
- 5美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心,绿地,马里兰州,美国
- 6英国谢菲尔德大学,谢菲尔德
- 7博尔德科罗拉多大学博尔德有限公司美国
- 8英国阿伯丁大学、阿伯丁、苏格兰
- 9西班牙著名y de Estudios优越de蒙特雷,墨西哥地方
- 10德国联邦国防军大学der慕尼黑,空间技术和空间应用研究所Neubiberg,德国
- 11d 'Electronique et des技术研究所杜numeRique-INSA雷恩,法国
- 12伊利诺伊大学厄巴纳香槟,伊利诺斯州,美国
- 13加州理工学院,美国加利福尼亚州帕萨迪纳市
- 14欧洲太空总署,位于荷兰
- 15印第安纳州普渡大学西拉法叶,美国
- 16秘鲁,利马,秘鲁
- 17普罗维登斯,罗得岛设计学院、美国国际扶轮
恩克拉多斯是一个冰冷的世界潜在的居住条件,所显示一致的地下海洋,一个活跃的能源由于水岩相互作用,并为陆地生活所需的基本化学成分。在所有海洋世界在我们的太阳系中,土卫二是唯一活跃的身体提供直接访问其通过不断驱逐的地下海洋物质喷发羽流。我们现在的土卫二着陆天体生物学(埃特纳火山)任务分析,概念设计在2019年加州理工学院空间的挑战。埃特纳火山的目标是确定土卫二提供居住条件和什么(pre -)生物签名恩克拉多斯的特点。埃特纳火山将样本和分析驱逐羽材料在南极地形(SPT)羽穿越和登陆操作。人造卫星包括紫外成像光谱仪,光学相机,和无线电科学和降落的实验室包括离子显微镜和质谱仪套件,温度传感器和光学相机,加上三个地震检波器接收部署在着陆。名义任务时间是2年的土星卫星系统和∼1年在土卫二轨道降落操作。恩克拉多斯的羽毛和SPT的详细勘探将实现广泛和转换太阳能系统科学相关建设宜居世界和其他生命的存在。这样一个任务的性质非常及时和相关最近发布的起源、世界和生活:十年战略行星科学和天体生物学2023 - 2032,其中包括优先推荐恩克拉多斯的专用的探索及其居住的潜力。
1介绍
我们是孤独的吗?当代的栖息地在太阳系的存在和维持生命所必需的成分是科学探索的动力。这些栖息地存在,生物现在住在那里吗?最有前途的一个目标去探索这些问题是土卫二,一个冰冷的土星卫星之间存在液态水的海洋动态冰冷的外壳和一个潜在的活性硅酸室内(布朗et al ., 2006;汉森et al ., 2006;Porco et al ., 2006;帕金森et al ., 2008;斯宾塞和尼姆,2013年;Iess et al ., 2014;托马斯et al ., 2016)。
恩克拉多斯着陆分析天体生物学(埃特纳火山;图1)是一个任务的概念设计,提出在第五个加州理工学院空间挑战(CSC) (https://www.spacechallenge.caltech.edu/past-challenges),这是一个为期一周的太空任务设计挑战,汇集了来自世界各地的学生来创建一个预研阶段概念研究(因et al ., 2014)。来自美国宇航局的专家的指导下,学术界和工业,我们的团队(包括16来自八个不同国家的学生)设计了一个任务地址CSC提示“评估恩克拉多斯是否提供了必要条件(或足够的)来维持生物或化学起源。“五CSC决定关键任务的约束:
1)土地尽可能羽流的来源。
2)使用小型探测器/火星的集合。
3)目标新Frontiers-c雷竞技rebatlass任务到达恩克拉多斯在2036年和2042年之间。
4)符合行星保护指南。
5)与一个SLS-type发射器发射任务。
图1。土卫二着陆分析天体生物学(埃特纳火山)的任务是由我们的团队设计的16名学生代表八个不同的国家。任务补丁和艺术品由山姆Zaref设计的。
我们命名任务概念后,埃特纳火山,,根据古代神话,希腊巨大的土卫二葬在控制宇宙的史诗战役。埃特纳火山,像恩克拉多斯,而闻名的火山和地震活动。
在这个贡献,我们讨论土卫二的天体生物学的潜力(第二节),土卫二的重要性和相关性的探索在更广泛的背景下,太阳能系统科学(第三节),和埃特纳科学目标(4节),采样策略(5节),有效载荷(6节)、任务分析和概念的操作(作战;第七节),飞船设计(8节)。
2恩克拉多斯的天体生物学的潜力
恩克拉多斯成为了一个引人注目的勘探目标当旅行者号飞船(史密斯et al ., 1982)显示它是太阳系最反光体,表明表面是由完全新鲜的雪或冰(Cruikshank 1980;Verbiscer et al ., 2005;海宁,2018)。图像被旅行者暴露一个独特的表面由外延的重塑,压缩,和走滑断层,暗示着一个活跃的内部(卡苟Pozio, 1996)。卡西尼宇宙飞船(Gautier和Ip, 1984年自确认恩克拉多斯是一个活跃的世界,成像活跃羽毛喷发物质来自南极地形下(SPT)和驱逐它几十公里到空间(汉森et al ., 2006;Spahn et al ., 2006;许et al ., 2015;韦特et al ., 2017;Postberg et al ., 2018)。由卡西尼号飞越目标显示增强的热异常与喷发羽毛,表明柱活动是由潮汐应力和对流加热的冰壳(罗伯茨和尼姆,2008年;Běhounkova et al ., 2017)。个人之间的相关性羽毛和小(∼10 m)热点表明潜热从地下海洋运输(Goguen et al ., 2013;Porco et al ., 2014)。各种地球物理测量也支持一个稳定的存在,长寿的地下海洋冰层下壳(麦金农,2015;托马斯et al ., 2016;Čadek et al ., 2016),这是估计30-40-km厚平均(Iess et al ., 2014;麦金农,2015;2019年海明威和米塔尔),但只有few-km厚SPT (Beuthe et al ., 2016;Čadek et al ., 2016;Le Gall et al ., 2017),月球的活跃的羽毛和虎纹。虎纹的长裂缝延伸数百公里的模式似乎与土卫二的潮汐和喷发周期(Hurford et al ., 2007;尼姆et al ., 2014)。
特别的天体生物学的兴趣,卡西尼号飞越期间捕获驱逐柱材料和分析它的成分(韦特et al ., 2006,2017年;Tokar et al ., 2009;本·特奥里斯的说法et al ., 2010;Postberg et al ., 2018),揭示了羽流主要是由水蒸气、氢气和一些较重的微量化合物的有机分子,包括氮、二氧化碳、甲烷、丙烷、乙炔,可能有利于生命的起源和演化(Porco et al ., 2006;韦特et al ., 2009)。事实上,一些热液柱组件已确定的系统在地球上,与土卫二和比较可以用来测试的假设生命的起源在这些系统(马丁和罗素,2007年;罗素et al ., 2014)。羽材料可能来自恩克拉多斯的地下海洋(Porco et al ., 2006;斯宾塞和尼姆,2013年;韦特et al ., 2017;Postberg et al ., 2018)海底压力类似的陆地海洋深处∼1000米(美国核管理委员会,2022)。冰冷的水滴在羽盐度和碱性pH值与陆地海洋(Postberg et al ., 2011;Glein et al ., 2015;Glein和韦特,2020年),早期生活可能发展我们自己的星球上(Sverjensky和李,2010年;教皇et al ., 2012)。羽材料还含有微小的二氧化硅颗粒,这可能源于持续的高温水岩反应成为可能从潮汐加热海底以下(Postberg et al ., 2011;许et al ., 2015;Postberg et al ., 2018),一个适合水催化化学的环境(Matson et al ., 2007)。持续的水岩相互作用在深度进一步暗示了海洋的碱性pH值,和钾钠盐和低密度岩石内核(Glein et al ., 2015;许et al ., 2015;Zandanel et al ., 2021;康et al ., 2022)。
今天,突出问题仍然存在关于恩克拉多斯的宜居性(占用)。例如,虽然有机物以恩克拉多斯的爆发柱材料,卡西尼号有限分辨率和高海拔的质谱仪阻止重有机物的详细测量,和一些有机物质将在高速飞行集合分解(韦特et al ., 2009;Postberg et al ., 2018)。重的化合物是至关重要的评估(pre -)生物签名(麦凯et al ., 2014)。此外,P和S没有被质谱仪(Postberg et al ., 2011),但需要完成生物标志物CHNOPS库存(山,2000)。
3与美国国家航空航天局
恩克拉多斯是一个引人注目的研究目标在我们的太阳系天体生物学和宜居性,因为它是一个活跃的身体,它提供了直接访问其海洋通过驱逐地下材料(美国核管理委员会,2011,2022年;电缆et al ., 2021 a;Choukroun et al ., 2021;数学和巴特沃斯,2021年;万斯et al ., 2021)。埃特纳火山是为了解决两个主要科学问题了CSC提示:“恩克拉多斯提供居住条件吗?”和“(pre -)生物或非生物特征描述土卫二?“这些科学目标直接解决问题”是如何生活和发展开始在地球上,和它进化在太阳系的其他地方吗?“NASA科学任务理事会是由激励太阳系探索(https://science.nasa.gov/solar-system/big-questions/)。
埃特纳火山的任务是在2019年,根据上下文的行星科学的视野和航行十年2013 - 2022(美国核管理委员会,2011)。在那个时候,我们的团队决定埃特纳直接响应的两个三个识别交叉科学2013 - 2022年代际的主题:“行星栖息地”和“太阳能系统的运作”。2013 - 2022年十年间的特别推荐恩克拉多斯的四个勘探目标的最大潜力,现代类地生命的栖息地。埃特纳利用独特的机会,直接从一个活跃的化合物样品地下水文系统羽穿越和随后降落样本集合,允许为分析材料逐出恩克拉多斯的地下海洋。
埃特纳火山的概念以来,国家科学院发布了起源、世界和生活:十年战略行星科学和天体生物学2023 - 2032(美国核管理委员会,2022)。有了这个新的十年,推荐一个专门的土卫二的任务已经升高,和恩克拉多斯科学与年代际内的各种优先级科学问题的科学主题“生命和宜居性”和“世界和过程”(美国核管理委员会,2022)。十年委员会特别推荐一个恩克拉多斯”Orbilander”任务(MacKenzie et al ., 2020,2021年)作为新的旗舰第二优先级的任务。Orbilander与埃特纳火山有很多共同的元素;它将分析新鲜从轨道上柱材料和着陆阶段1)期间的生活寻找证据和2)获得生命探测实验地球化学和地球物理背景。如果不支持Orbilander,土卫二的年代际建议NASA投资多个飞越任务进展冰冷的海洋世界和宜居性科学。因此,继续详细探讨土卫二是驾驶优先在即将到来的十年中,和将启用任务如埃特纳火山,Orbilander (MacKenzie et al ., 2020),“森林之神”(光谱仪调查恩克拉多斯的宜居性与网络的地下地震检波器)设计的另一个CSC团队(内森et al ., 2022;这个问题),或者“EnEx”(土卫二探险家;Konstantinidis et al ., 2015)。表1指定如何埃特纳科学目标直接映射到最近的两个十年中概述的优先问题调查(美国核管理委员会,2011;美国核管理委员会,2022)。
表1。埃特纳火山科学目标,十年调查及其相关优先级问题。
4推动科学
这里我们科学目标轮廓的埃特纳火山的任务,它在科学跟踪矩阵图2,是为了解决CSC任务提示(1节)。
图2。埃特纳火山科学跟踪矩阵。
4.1科学目标1:恩克拉多斯提供居住条件吗?
第一个科学相关的目标是描述土卫二的宜居性和决定居住条件和持续提供(Hoehler et al ., 2021)。这一目标提供了关键的地球化学和地球物理上下文在寻找(pre -)生物签名。解决这一目标将使我们能够量化恩克拉多斯的生物质可以支持通过约束海洋的温度、盐度、pH值、营养可用性和能源(Glein和韦特,2020年;电缆et al ., 2021 a;MacKenzie et al ., 2021)。它还将使我们能够限制居住条件的时间表,提供洞察发展途径的复杂性高的好感度指数(马歇尔et al ., 2017)。科学目标1被定义为三个科学目标(图2)。
以下4.4.1目标1:确定地下的主要化学成分
众所周知,羽毛材料含有化学成分,宜居环境,包括本地氢、水蒸气,和简单的有机化合物(韦特et al ., 2006,2017年;发起的et al ., 2019;汉森et al ., 2020),但问题仍对磷和硫的存在(陆地生活的两个关键的生物标志物;Postberg et al ., 2011)和沉重的有机化合物,可能暗示着更复杂的化学反应和生物活动(韦特et al ., 2009;麦凯et al ., 2014;驳船和罗德里格斯,2021)。解决这些未知数和调查恩克拉多斯的构成的海洋,埃特纳火山将收集和分析被羽材料。羽毛大部分化学成分的分析材料将提供洞察潜在来源和途径为恩克拉多斯的化学。埃特纳火山会确定:
1)和相对丰富的CHNOPS存在,有机和无机物种在柱材料。
2)爆发羽的构成材料的空间变异性。
3)丰富的海洋的盐度Na和Cl柱材料限制。
4.1.2目标1 b:确定能源驱动表层和次表层的交互
描述月球的内部结构和主要参数是重要的评估能源(s)的动态柱活动和重修的(Hurford et al ., 2007;田et al ., 2007;海德曼et al ., 2013;Běhounkova et al ., 2017;Southworth et al ., 2019)。埃特纳火山会限制:
1)海洋和冰壳层的厚度和异质性,对当地的SPT和全球结构。
2)地形的海洋。
3)几何和物理结构表面气孔的SPT。
4)质量通量的材料从地下到爆发表面活跃的羽毛。
5)表面温度的SPT和喷发的地区。
6)SPT的物理和热应力。
潮汐耗散,这被认为是与土卫二的持续的羽流活动,是由深海潮汐流在粗糙的海底地形,将能量转移到内波和最终小规模的耗散过程(即。、热)(泰勒,2009)。因此,限制海底的地形会改善我们的估计区域潮汐流和热通量。此外,海底地形和空间映射喷口之间的关系,以及可能的洞穴,烟囱,或其他海洋结构,使结构与地球上的海洋栖息地,在早期生命演化(马丁et al ., 2008;盾牌et al ., 2019)。最后,深度测量法和发泄丰度的变化之间的关系和羽活动可以提供重要的见解地下和地面之间的通路。
4.1.3目标1 c:确定周期性和一生的居住条件
评估恩克拉多斯的可居住性,它是必不可少的理解是否有利条件持续足够长的时间来允许生命的起源(麦凯et al ., 2008)。在地球上,水热环境下可以维持自然的合成简单的有机化合物(即使没有生活)和已知支持一些地球上最原始的形式的微生物代谢(美国核管理委员会,2022)。可能是生活也可以出现在土卫二的海洋和热液活动已经足够长寿。
约束柱活动的时间尺度的一个方法是确定各种地质单位在土卫二的表面年龄。其他地质地形的陨石坑密度相对较高和解释是SPT(以上基尔霍夫Schenk, 2009)。一些附近的地形也有缺陷的陨石坑直径≤2公里,解释为是由于埋葬,驱逐了羽材料(基尔霍夫Schenk, 2009)。比较SPT的陨石坑密度,火山口附近的地形的数量改变了羽流出口,和地形的火山口的人口没有修改羽活动可以帮助限制多长时间的相对时间尺度羽毛已经爆发。
帮助限制居住条件的周期和生命周期,埃特纳火山会限制:
1)喷发羽流的密度和频率,并通过喷发寿命变化。
2)数量和几何图形的动态和静态表面裂缝。
3)表面SPT和其他地质时代单位。
4)质量流量的爆发柱材料和重修的。
5)vent-driving动力学过程导致羽喷发。
4.2科学目标2:(pre -)生物或非生物签名描述土卫二?
与科学目标2,我们试图找到证据的生活从过去,现在或潜在的未来(即。起源)。什么是有机化学在土卫二的复杂性和发展?这一目标将通过寻找各种解决生物特征来帮助限制是否以及在多大程度上已经在月球上生活。科学目标2被定义为三个科学目标(图2)。
4.2.1目标2:准备描述组成、结构,柱材料的比率
除了描述形状的土卫二的过程作为一个宜居的世界,埃特纳火山是为了确定是否存在任何(pre -)生物签名。理解这些羽毛可以提供重要的地球化学了解海洋的地球化学(Matson et al ., 2007;Zolotov 2007;Glein et al ., 2018)和恩克拉多斯的潜在可居住(麦凯et al ., 2008,2014年;帕金森et al ., 2008;驳船和罗德里格斯,2021)。埃特纳火山将调查生物签名通过评估的存在组成、模式和驱逐柱材料的化学和结构复杂性(微粒和蒸汽)(诺尔,2003;希格斯粒子,Pudritz 2009;Domagal-Goldman et al ., 2016)。
丰富和结构模式的氨基酸和脂质碳链长度的函数可以用来区分非生物和生物来源(召唤et al ., 2008;乔治奥和迪默,2014)。“路径复杂度指数”将计算指数的有机分子复杂性水平羽样本,并区分非生物和生物过程(马歇尔et al ., 2017)。因为这个索引不作任何假设生物化学的性质,它是不可知论者对生活的类型可能进化行星(马歇尔et al ., 2017)。
手性还提供了深入了解生物与非生物的起源(Glavin et al ., 2020)。在陆地系统中,生物往往表现出左旋氨基酸homochirality而非生物氨基酸缺乏强烈的偏好。结合测量氨基酸的相对丰度,手性和同位素丰度提供了最强的测量生物起源(Glavin et al ., 2020)。因此,在收集分析柱材料,埃特纳火山将:
1)确定成分(包括Cl-containing化合物、硫酸盐、碳酸盐、石英、硅酸盐、和金属氧化物)。
2)确定丰度,广泛的重量分布,有机化合物的模式(包括氨基酸、羧酸、碳氢化合物和油脂)。
3)比较组成、丰度和分布的陆地有机化合物的有机化合物数据库。
4)测量氨基酸的手性和富足。
4.2.2目标2 b:确定视觉生物标志物存在爆发柱材料
最健壮的检测生物签名将来自独立的,可重复的测量生物特征(内沃,2016;手et al ., 2017;内沃et al ., 2018)。因此,结合化学测量柱材料(目标2),埃特纳也将寻找视觉生物标记(Simoneit 2002,2004年)。所有活细胞具有膜的脂质,援助的交换材料、通信、节能、热和机械应力变化和保护,这些结构可以直观地确定(Stoeckenius 1962;交给1985;华托式的和次动摇,2018)和实验研究表明,细胞的形态完整性可以保存在羽流弹射(傍水镇et al ., 2020)。而检测细胞样的结构不会提供确凿证据的生活(Schopf 1993;麦凯et al ., 1996),这样的检测结合各种化学生物特征将呈现一个更健壮的特性。埃特纳火山能够评估生物特征通过视觉生物标记搜索直接观察细胞和生物材料的羽毛材料以下调查:
1)描述微尺度的证据收集的生活羽材料通过搜索细胞和其他微观结构(例如,孢子)。
2)识别潜在的生物矿物和化石(如困在谷物或分层结构)。
4.2.3目标2 c:确定CHNOPS是如何产生的
最后,它确定是至关重要的元素,形成潜在的来源(pre -)生物签名。非生物过程所支持恩克拉多斯的居住条件,同时在海洋和rock-ice接口?理解羽爆发的构成材料将提供直接信息内部反应和海洋化学(汉森et al ., 2011;Matson et al ., 2012;Postberg et al ., 2018)。此外,同位素比例将提供重要的见解生物起源的手性不对称(Glavin et al ., 2020)和代谢反应的存在,任何biotically-induced不平衡(帅et al ., 2018;曹et al ., 2019)。因此,埃特纳火山会确定:
1)羽毛的化学材料。
2)同位素分布(包括CHNOPS)柱的材料。
5羽采样策略
降落在表面上使更高的科学回报,特别是在可居住的环境。分析土卫二的适居性潜力,以及起源和生物测量,关键是调查的内部动态SPT,羽毛是观察活跃的地方,也被海洋的组成粒子。羽毛作为管道从地下到表面,海洋粒子从地下转移液态水海洋,穿过大气层,回到地表。这些粒子可以分析而漂浮或在大气影响一旦表面沉积。埃特纳火山将利用这些机会,收集和分析材料在轨道操作通过一缕穿越(7.2节),也在表面和一个操作现场登陆实验室(7.3节)。
5.1轨道羽抽样
水冰的发泄的产量估计为平均∼30公斤/ s (Porco et al ., 2017;Southworth et al ., 2019),虽然飞机的质量通量时空上各不相同,甚至在一个条纹(本·特奥里斯的说法et al ., 2010)。较轻的化合物和蒸汽粒子有时被驱逐在如此高的速度,他们超过恩克拉多斯的逃逸速度(250 m / s)和土星的土星(施密特et al ., 2008;新et al ., 2021年)。更重和更大的颗粒,这主要是天体生物学的兴趣,被以相对较低的速度,可以达到80公里高度之前导致全球重修的影响(汉森et al ., 2006;施密特et al ., 2008;杨紫琼et al ., 2015;古兹曼et al ., 2019)。1和100之间的粒子直径μm估计达到海拔∼25 - 50公里。因此,埃特纳火山的轨道操作包括穿越一个活跃的羽流在25公里的高度。卡西尼号的观察(Porco et al ., 2006;韦特et al ., 2006),我们预计多个羽毛会活跃在埃特纳火山操作。我们的轨道作战不要求一个特定的羽流在发射前被选中;内置的任务灵活性和健康质量和功率预算利润使我们的科学团队选择积极的羽毛在土卫二的到来。活跃的羽毛将可见宇宙飞船之前插入绕恩克拉多斯的车载摄像头,所以地面可能没有仓促做出决定。
伊玛目化学分析,总浓度直接影响检测的极限(即。更大的样本容量提高检测的限制;数学和巴特沃斯,2021年)。期间收集的材料重复羽穿越直到1μl是获得一个卷,足以伊玛目分析(图2),符合Orbilander宇宙飞船的测量体积要求(MacKenzie et al ., 2020)。以前的分析显示本卷可以在< 2 - 5轨道,假设一个示例通量1.6 6μl / m /轨道(Porco et al ., 2017;古兹曼et al ., 2019),考虑到我们40-cm-diameter收集板。
5.2落羽抽样
埃特纳也将样本驱逐羽材料在表面操作(7.3节)。收集板仍然开放的同时,收集羽流影响。假设影响的1毫米/年(Southworth et al ., 2019),1μl可以收集在< 20 h。
降落点应位于1)接近一个活跃的发泄,这样沉重的爆发羽材料可以采样和2)在一个地区的热发射升高。我们的土地现场实验室的最大距离5公里一个活跃的通风口。这个距离计算满足重分子的抽样;超出这个距离,这种重分子的频率减少(Porco et al ., 2006;Jaumann et al ., 2008)。
具体的通风不是一个主要的约束;之间可能喷射物质的组成类似羽毛如果由相同的地下海洋。因此,平稳降落操作满足埃特纳科学需求和不需要介绍任务复杂性的多个喷口之间旅行。名义降落点的结点巴格达老虎条纹(图3),它的特点是高羽流影响(Southworth et al ., 2019)和低大冰块数量(Martens et al ., 2015);但是,内置的任务灵活性和利润支持期间着陆地点的调整操作。
图3。名义上的着陆地点,蒂尔星,巴格达交界处。四个南部虎纹被标示为参考。Backmap是一个马赛克(100像素的分辨率)由卡西尼号空间站图像极极射赤面投影(来源:保罗•Schenk LPI)。
除了科学考虑,着陆地点的选择应考虑工程安全。例如,Orbilander概念研究(MacKenzie et al ., 2020,2021年)解决的重要性:
1)降落在一个刚性表面支持了实验室的质量(在卡西尼号图像解析的大石块的存在表明,表面是刚性的);
2)在近水平着陆斜坡(< 10°),以避免引爆;
3)没有降落在高密度的岩石表面,冰块,和巨石的安全实验室和部署地震检波器;和
4)降落在一个地形低,会防止飞行器视距。
在这个时候,这些额外的约束还没有被应用于埃特纳火山的候选着陆点,但我们强调任务架构是健壮的调整和/或特别是更换SPT降落点。很可能最大的这四个安全约束将定位表面缺乏的危险。冰块大小从∼10到366 SPT的存在,与大街区倾向于更接近老虎条纹(Martens et al ., 2015;Pajola et al ., 2021)。然而,Martens et al。(2015)确定几个地区低块数量的SPT(0 - 100块/公里2),这是有利于表面操作。我们的名义着陆点是这些领域之一。侦察在轨道操作将有助于确保低块数量和细化着陆点。
6恩克拉多斯分析天体生物学有效载荷着陆
解决我们的科学目标图2),埃特纳科学有效载荷组成的六个科学仪器分为人造卫星和一个登陆实验室,以及分布式地震台网组成的三个检波器接收(表2)。所有仪器水平高技术准备(trl)除了检波器地震网络,设计针对的CSC要求使用“收藏”登陆组件。
表2。埃特纳火山科学仪器套件。权力和质量估计从传统乐器。
6.1离子显微镜和质谱仪套件
伊玛目套件将用于确定:
1)化学成分、手性和同位素比例柱材料。
2)相对丰富的氨基酸/脂肪/羧酸甘氨酸的羽毛材料。
3)质量流量和空间变异性的羽流组成。
4)结构、形态和生物矿物在柱材料的存在。
样品材料将被动地收集羽毛在轨道阶段(通过一缕穿越)和在着陆阶段(通过羽落自然沉积到收集器位于顶部的探测器)。显微镜将是第一个仪器获得收集羽毛样本。显微图像将用于分析细胞样的形态和其他潜在的生物微观结构,如孢子。来自彗星(CIVA) - m仪器,显微镜结合两个超小型和微型显微镜:显微镜下可见和近红外高光谱成像仪(Bibring et al ., 2007)。显微镜将图像样本13毫米了非破坏性技术的生物结构的分析,以及纹理和反照率(Bibring et al ., 2007)。
由显微镜成像后,样品将会分为两个样品板(每只需要< 0.001μl;MacKenzie et al ., 2021;数学和巴特沃斯,2021年)和交付给两个质谱仪子系统:气相色谱质谱仪(GCMS)和串联质谱仪(TMS)。识别波动的模型是很重要的组件,评估手性,区分同位素,并确定是否从分子生物或非生物起源(Goesmann et al ., 2017)。经颅磁刺激提供互补更重的化合物的质量信息。质量的精确测量的能力区分氨基酸(Arevalo et al ., 2018),这是DNA的构建块。氨基酸生物来源的相对浓度提供关键信息在生物系统(其功能作用多恩et al ., 2011;手et al ., 2017;Glavin et al ., 2020;MacKenzie et al ., 2020,2021年)。氨基酸来自非生物源显示相对简单模式组成的分子low-formation-energy需求(多恩et al ., 2011)。
羽毛样本将被加热成气体的全球大气环流模型分离的不同分子。为手性衍生化剂应用于样本测试。由此产生的样本然后送到专门的质量分析器,它是一个测试原型的高端TMS专为行星探索开发。它使用相同的线性离子阱(点燃)作为天外火星是用于现代艺术博物馆,以及高分辨率CosmOrbitrap质量分析仪用于空间应用程序(Arevalo et al ., 2018,2020年)。TMS片段示例,使用脉冲紫外激光电离。光学稳定离子定向到CosmOrbitrap质量分析器,这决定了离子的质量通过测量它们的质量费用比(m / z)通过一个已知磁场进入质量分析器腔(Arevalo et al ., 2018,2020年)。最后,由此产生的电信号放大和发送到数字处理单元。
6.2紫外成像光谱仪
紫外线成像光谱仪(紫外线指数)将用于:
1)获得表面的成分和形态信息。
2)地图的构成羽毛作为空间和时间的函数。
3)获得羽毛在近日点的离子丰度的测量。
这些数据将用于羽穿越和着陆地点的选择,并分析柱活动对射流形态和结构的变化。具体地说,羽流的图像在多个波长会被用来帮助重建羽流的构成。将获得多次帮助重建图像的动态结构、密度、气流的温度和高度的函数和成分和产量测量的羽流。
紫外线指数,来自爱丽丝(斯特恩et al ., 2009),由一个小型望远镜,摄谱仪,一个敏感的电子检测器与1024个光谱通道32个独立空间位置的矩形视场。它有两种操作模式:一个“大气光”模式测量紫外线排放大气成分和一个“掩蔽”模式,其中主要关注明星和措施吸收阳光的能量,提供洞察仪器和明星之间的大气成分。因此,明星掩蔽的羽毛可以观察和用于将水分子映射空间分布,并提供洞察生产区域的位置。
6.3光学和红外摄像机
光学和红外相机(OICAM)将用于:
1)图像表面(包括与音响技术)。
2)成分变化在表面地图。
3)地图表面温度。
相机将提供重要的信息描述形态和SPT的形态测量学,提供关键地质背景解释其他的埃特纳火山的数据集。OICAM数据将在研究出气发泄基本结构,以便发泄形状,地貌学,纹理可以解决在不同的羽毛来源地区。图像也将被用来改进表面各种地质地形的年龄限制,帮助羽流活动的时间表(4.1.3节)和研究潜在的着陆地点在当地高空间分辨率和生成数字地形模型着陆地点的准备。
OICAM是VIS /近红外多光谱成像仪(全色和色彩的成像能力)和短波红外光谱成像仪、遗产与拉尔夫(路透社et al ., 2008)。它由一个望远镜为焦平面的两组:多光谱可见光成像相机(MVIC)和线性校准器成像光谱数组(莱萨),pushbroom仪器。
6.4探测器检查相机
地方政府投资公司将用于图像:着陆点着陆后在血统和表面。它来源于罗塞塔探测器成像系统(ROLIS)菲莱探测器(Mottola这样et al ., 2007)。在着陆阶段,地方政府投资公司将收购的图片增加空间分辨率的着陆地点。降落后,地方政府投资公司将图像表面下的探测器提供高分辨率图像的表面,在表面纹理提供关键信息和各种冰/风化层特性,比如裂纹,气孔,气孔,升华功能,冰谷物,和矿藏。它有四个单色发光二极管阵列,在470年,530年,640年和870海里,使多光谱成像。
6.5空中和地面温度传感器
温度传感器将用于:
1)确定地面和空气温度。
2)提供上下文信息现场测量了探测器。
agt由温度传感器的两双,斜放在着陆器。传感器由一个保护自身的校准单元包含一个加热板和PT1000传感器耦合的高温计安装板,类似于探测器的系统环境监测站(REMS)好奇心(塞巴斯蒂安et al ., 2010;Gomez-Elvira et al ., 2012)。这个校准单位帮助保护传感器不受污染羽流喷发。地面温度记录的热电堆观点表面通过滤波器的带通8 - 14微米和空气温度记录的PT1000传感器放置在一个小杆,使仪器的传感器外的桅杆和繁荣热边界层(Gomez-Elvira et al ., 2012)。
6.6广播科学实验
该交易所将用于描述:
1)恩克拉多斯的重力场。
2)潮汐爱数字。
3)海洋地板的地形。
交易所的主要科学目标是限制恩克拉多斯的地球物理参数通过放射跟踪技术。了解身体的内部结构提供了洞察地球化学相互作用的空间范围(万斯et al ., 2018;Mackenzie et al ., 2020水岩相互作用),比如界面面积(Dombard Sessa, 2019)。此外,交易所将用于提供潮汐耗散是如何分布在核心,海洋,和冰壳。测量潮汐爱号k2将允许潮汐相位滞后的决心和总潮汐耗散(Ermakov et al ., 2021)。爱的数字是用来描述土卫二的重力场和形状如何应对时变潮汐力(Ermakov et al ., 2021)。未来的重心任务可以继续改善约束爱数字这样潮汐热代可以约束(Ermakov et al ., 2021)。
交易所重力场测量加上地形来自卡西尼(尼姆et al ., 2011;Tajeddine et al ., 2017)和高分辨率的当地OICAM立体图像(公园et al ., 2020)将用于限制内部密度结构,海底地形(Koh et al ., 2022),和冰壳程度的补偿(Ermakov et al ., 2021)。此外,交联观测期间收集的登月舱下降将有助于解决偏差在当地重力场SPT。
交易所,由卡西尼号无线电科学(Kliore et al ., 2004),可以在单向下行和连贯的双向模式。在双向模式中,一个稳定的频率参考在深空网络(DSN)车站设施用于生成一个微波载波波形。参考振荡器在埃特纳火山是严格使用传入的参考信号。机载应答器的高增益饲料用于前后一致地重新发送载波回到地球。利用近拱点前开始几个小时,几个小时后结束。收集到的数据在开始和结束的时间间隔将有助于建立一个基线相位噪声在频残差方差。配置OICAM观测的前和后通过将提高估计的不确定性约束相对动力学。
6.7分布式海洋地震检波器和外壳网络
最后科学包包含在埃特纳火山SHOOC网络负载,这将被用来研究物理结构,动力学,大部分恩克拉多斯的属性。监测土卫二的地震活动将提供关键信息的结构和动力学的核心,海洋和地壳(平移和Romanowicz, 2006;万斯et al ., 2018,2021年)。也提供信息的动态柱系统,地下海洋连接到地球表面的边界。热应力和局部压力变化影响水岩相互作用,最终会产生化学失衡系统(万斯et al ., 2016;MacKenzie et al ., 2020,2021年)。详细的地震测量也可以启用识别泡沫崩溃的地下热液排气系统(道森et al ., 2012),可能运输大分子有机物(Postberg et al ., 2018)。
SHOOC网络包括三个部署探测器有失真微型地震检波器的带宽能力0.1 -240 Hz捕捉地震波传播通过恩克拉多斯(侯et al ., 2021)。每个探测也有一个热敏元件嵌入的外部拉杆天线测量温度的垂直廓线,和一个微机电系统惯性测量单元(MEMS IMU)测量重力的方向向量(侯et al ., 2021)。SHOOC探针有两种操作模式:被动模式和主动模式,那时的撞击器是卫星土卫二的表面接近老虎条纹创建一个本地化,高频地震冲击(8.3节)。每日minute-resolution震动图会收集分析背景和诱发地震噪声的被动和主动模式,分别。在主动模式下,如何将用来测量纵波和二级波产生的动能撞击器。这些数据将用于分析时间和空间变化的地壳弹性属性,例如发泄活动相关(吴et al ., 2020)。从活跃的地震检波器数据实验在阿波罗任务已经被用于分析横波旅行时间使用波场梯度分析(Sollberger et al ., 2016)和p波到达时间为农历创建多层地震速度模型内部的深度∼1000公里(Heffels et al ., 2017,2021年)。
分布式SHOOC网络设计的直接回应CSC授权包括多个降落元素。它是唯一的组件的埃特纳火山的使命与低实验室(2019年估计三个),但它旨在利用space-grade,商业,现成的组件,类似于地震包已经部署在陆地冰川网站(琼斯和Gudmundsson, 2013年)。许多设计元素遗产从小行星地球物理资源管理器(AGEX)提出研究Didymos (Karatekin et al ., 2016)和LUNAR-A为月球开发(弘水谷,1995;弘水谷et al ., 1995)。框架下的一个新的前沿的使命,我们将提出包括网络技术示范,鉴雷竞技rebat于SHOOC相对low-TRL组件与高风险相关联。实现阈值不依赖于科学SHOOC网络(图2),但埃特纳火山的科学回报将大大增强网络。
7任务分析和操作的概念
来满足我们提出的科学目标科学跟踪矩阵(图2),埃特纳火山飞船由三个部分组成:轨道飞行器,着陆器和部署SHOOC分布式探测。在本节中,我们提出了任务剖面、任务阶段,和作战。每个亚节详细描述了接下来,8节。细节的任务和实现风险评估按照指南来自美国宇航局的独立的验证和确认计划Northey Kinney, 2014)和途径来减轻和减少这些风险的补充信息。
7.1发射,星际游轮,土卫二的到来
土星的系统是一个很难达到的目标,因为它距离地球很远,需要长途飞行时间和需要多个飞越全面降低燃料成本。转账的主要驱动力设计从地球南极土卫二是它将进入一个长期的影子从2039年开始(图4一)。照明的缺乏限制了光学相机中的可见光通道(尽管没有其他科学仪器在埃特纳火山有效负载),可能会阻碍将各种地球化学、地球物理和生物测量到一个广泛的地质背景。
图4。(一)小时的照明为每个地球日在土卫二的表面。ΔV的函数(B)到达日期和(C)飞行时间的行星际转移。colormap标签的抵达日期不同硬度ΔV成本。同一colormap用于分析相同的结果的飞行时间来评估开航时间。
这包括使用创新的泰坦Aerogravity辅助方法(Hajdik et al ., 2020)。作为补充信息,详细讨论了重力帮助由泰坦与潜在污染有机物在土卫六的大气层,这可能妥协恩克拉多斯的天体生物学的测量结果。因此,这里使用的泰坦重力帮助严格来计算近似克鲁斯和到达时间和ΔV成本,但是我们需要替代的选择Enceladus-approaches之前我们的使命。
通过考虑星际轨迹和轨道插入,可以设置一个到达日期在土卫二,从而backdictating所需的离职日期和相关ΔV成本。图4 b, C提供一个代表从地球上可用的星际轨迹的土星卫星系统的ΔV(正比于燃料的使用),到达日期,与飞行时间和飞行时间,考虑轨迹< 10年。
我们的结论是埃特纳火山可能发射一个火箭SLS-type 2028年3月2日到达土星2037年6月23日,要求20.97公里的C32/秒2。星际引力辅助轨迹将埃特纳从地球上两个连续的金星重力助攻,火星引力辅助,那么最后地球重力帮助之前,土星的到来。实现总∆V深太空演习和土星轨道插入1.088公里/秒,虽然我们使用一个保守的估计为1.2公里/秒时占燃料需求。这让我们安排变化灵活和健壮的硬度迅速∆V成本不会改变所选轨迹附近的(图4)。埃特纳火山需要2年从捕捉到土星的系统到达轨道恩克拉多斯2039年6月23日。
7.2土卫二轨道操作
轨道周围土卫二是复杂的动态环境中,土星的强烈影响的存在。周期轨道后圆锥部分(双体轨道)可怜的近似Saturn-Enceladus系统,和一个基线科学轨道必须选择考虑到土星的引力对轨道的影响约恩克拉多斯(罗素和劳拉,2009年)。我们没有选择任何低空极圆轨道,这是不稳定的土卫二和需要频繁的定位策略(日)(Ermakov et al ., 2021)。相反,我们选择了一个古怪的高倾角光环轨道与高空通道SPT,需要更少的日和减少ΔV预算(罗素和劳拉,2009年;戴维斯et al ., 2018;Massarweh和卡普西奥,2020;Ermakov et al ., 2021)。具体来说,我们选择了一个L2光环轨道设计的戴维斯et al。(2018)(他们图1)与近拱点南极附近的土卫二,使各种各样的科学操作对羽毛进行调查。它有一个近拱点∼125公里高度的轨道周期13.3 h,确保可重复性的观察和合理的操作调度从飞行动力学团队。轨道是由开普勒轨道近似使用相同的近拱点和轨道周期定义为戴维斯et al。(2018)为了计算日,地球可见性、通信通道、南极观测时间。使设计健壮的开普勒简化,合适的利润率对ΔV预算(表3)。在这一阶段的设计,日行设计发生每两个轨道周期目标轨道近拱点,这是足以保持轨道的稳定。这是保守的设计考虑到之前的分析表明所选轨道家庭稳定超过两个革命(戴维斯et al ., 2018;Massarweh和卡普西奥,2020)。未来的研究应该调查更具代表性的日动态模型和详细的定位策略(例如,MacKenzie et al ., 2020)。
表3。飞行器ΔV预算。
一旦在土卫二(2039年6月23日),埃特纳火山将开始其pre-landing轨道阶段(扑通一声地;1个月),其次是着陆器操作阶段(删;6天),最后降落后操作阶段(ALOP;6个月;图5)。名义任务总结2040年1月9日,当纬度向南极的85°S是完整的影子,虽然扩展任务可以继续利用紫外线指数和RS(虽然OICAM photon-starved SPT)。未来的任务迭代可以延长最大化的任务时间2041年1月在去年减少照明。我们当前的作战(图5)优先着陆实验室测量任务架构,确保着陆实验室早期表面放置在照明(图4鉴于其建立着陆系统。
图5。(一)轨道科学操作时间表,包括pre-landing操作阶段(的声音),登陆操作阶段(删),和登陆后操作阶段(ALOP)。地球轨道飞行器操作的总长度是29周,2039年6月23日开始当埃特纳到达恩克拉多斯。(B)着陆器样本收集时间表,组成的一个初始轨道维护管理阶段和三个示例收集(绿色)和分析(紫色)阶段。
扑通一声地是至关重要的几个理由。它提供了区域和全球环境解释埃特纳火山和卡西尼号尺码和允许更详细的着陆地点特征(和可能的调整)。羽穿越确保实现目标2 (图2即使在着陆失败的情况下)。(注意,仍然是一个任务需求和优先级,因为羽毛材料收集的着陆器将丰富复杂的分子)。活动羽毛的扑通声还提供了图片在紫外吸收波长Obj。1 b和c和限制了重力场和潮汐爱编号为Obj。1 b。
扑通一声地由三个主要阶段:成像运动阶段(ICP),光谱学运动阶段(SCP),和羽流穿越阶段(PFTP)开始,当埃特纳火山活跃的羽毛飞过伊玛目套件收集样本进行分析。着陆器释放之前执行这个操作,确保科学健壮性边缘的使命。PFTP发生在25公里的高空,选为关键的最大高度astrobiologically-relevant材料被驱逐,所以近地表航天器的风险最小化。各种分析表明,飞船的速度3 - 10 km / s最佳volatizing和电离生物分子(氨基酸和脂肪酸)冰颗粒而防止碎片(Klenner et al ., 2020;电缆et al ., 2021 b;Jaramillo-Botero et al ., 2021)。作为穿越轨迹是一个关键参数,确保重羽分子的集合,一个专门的策略应该旨在减少运营轨道的近拱点不超过最接近速度。注意,速度通常是几百米每秒在开普勒近似和三体问题(Fantino et al ., 2020)。开普勒近似下,当前在土卫二的最接近穿越速度是180米/秒。在当前的任务设计,采样高度计算科学和安全的考虑没有设计一个详细的战略目标与期望的速度穿越通过(高一个数量级)。
扑通一声地∼持续1个月。ICP和SCP各需要1周实现完整的空间覆盖的南极地区(70 - 90°S)。PFTP不把主要时间安排限制任务场景,因为它只需要降低近拱点25公里< 2 - 5通道,或者<∼1 - 3天(部分7.3.2)。我们100%的保证金,以适应申请可能不便在映射阶段,可能导致失去一段在南极,导致总四个星期的扑通一声地操作。选中的L2光环轨道的轨道周期(戴维斯et al ., 2018)会导致56个段落在南极,为所需的本地映射需求提供足够的冗余。更长的pre-landing轨道阶段并不喜欢这样埃特纳火山可以土地表面和表面开始操作之前进入了一个完全黑暗的时期,2042年1月1日开始的75°S (图3)。
扑通一声地后,埃特纳火山进入删。一旦从轨道飞行器释放登月舱,人造卫星的主要任务是执行通信继电器与着陆器。它将从着陆器在近拱点收集数据并将其发送到地球在最远点。后表面操作(7.3节),轨道继续6个ALOP月健壮性(包括保证金),分为三个主要科学活动(图5一个):
1)两个着陆后icp(地球每个持续一个月)包括探测器的成像,部署铁板,铁板和科学目标确定在前面的轨道操作。
2)四个专用无线电科学实验阶段(RSEPs)(每个持续1周)是专为卫星通信的DSN收集范围和数据信息,绑定恩克拉多斯的内部结构,继续重力场映射。
3)两个着陆后scp(每个持续1个月)包括持续紫外成像的羽毛和SPT更高的空间分辨率。
时间分离成像阶段(图5一个)将使排气羽形态测量学和行为的变化检测研究。
7.3表面操作
7.3.1着陆
扑通一声地后,飞行器降低其高度接近150公里(前不久最远点)和释放探测器(补充图S1)。然后着陆器目标最终着陆位置和执行经济软着陆的SPT使用车载自主导航和控制系统风险检测和避免算法(8节)。着陆估计30分钟,使用ΔV 400 m / s。在着陆过程中,着陆器部署三个顺序SHOOC探针实现∼50米间距(类似于阿波罗检波器接收;南都et al ., 2020),作为他们的最优功能需要综合地震信号。每个检波器是旋转沿其轴发射给稳定在发布之前,确保最低位置和姿态扰动在自由落体。着陆后,SHOOC探测器开始被动操作,记录地震数据“背景”。
7.3.2样本集合
样本集合开始,当探测器到达地表。伊玛目套件需要羽毛样本进行分析,和我们的操作时间分配三个样本的阈值科学要求。假设着陆器的最大距离5公里从一个活跃的羽,所需的新鲜1μl羽材料应收集在< 20 h(5.2节)。样本积累后,cryo-motor交付样品孔径显微镜的成像。接下来,样品减半并交付给两个质谱仪子系统(6.1节)和数据中继卫星通信系统和发送到地球前新样本收集。通信槽与着陆器和SHOOC探测计划确保与卫星通信和返回地球。这个image-relay序列设计是健壮的探测器故障,并确保关键科学数据之前收到后续抽样策略。地面确认后,下一个示例集合开始,重复该过程。每个新样品将收集光票托收幻灯片,和着陆器安全冗余备用收集幻灯片进行实践。时间来收集和分析一个样品估计∼21 h,这是与卫星轨道周期一致。 During the first passage, lander housekeeping is verified and during the second passage, scientific data are relayed (图5 b)。
7.3.3 SHOOC科学实验
后表面取样和分析,的活跃阶段SHOOC科学实验的开始。到目前为止在表面操作,铁板已经被动测量地震信号特征恩克拉多斯在低频率。此时,56公斤冲击大规模部署的轨道影响表面,会引起高频电波测量的地震检波器。
这个实验中重要的是发生在所有表面取样和分析,以确保伊玛目科学返回以防着陆器受到冲击的影响质量的影响。槽放置后的通信质量的影响,确保着陆器安全的轨道。这个实验后,探测器依然活跃,成像表面附近的羽毛,后果和潜在的影响。相机图像传送到轨道飞行器在剩余的任务。
7.4轨道器处理
埃特纳火山任务概念构思的指导方针下NASA和空间研究委员会(COSPAR)行星保护政策(COSPAR 2021向前),旨在防止污染土卫二的地球上的生物,限制污染的概率不超过1 x10−4(补充材料)。在发射前,着陆器资产将消毒适当范畴IV标准(NPR 8020.12 d,行星保护规定机器人外星任务)。土星轨道飞行器将影响到为处理避免接触其他astrobiologically-relevant目标(ΔV∼0.3公里/秒)。
8飞船系统设计
8.1飞行器设计
在本节中,我们提出不同的飞行器子系统。飞行器的总干质量估计有554.92公斤(表4;补充表S1)。
表4。总体任务质量预算,可以管理在发射的SLS,德尔塔IV,阿特勒斯V火箭或重型猎鹰C3 = 20.97公里2/秒2。
8.1.1结构设计
轨道飞行器的结构设计(图6)利用铝制结构由铝蜂窝碳纤维板的墙壁。推进剂的坦克都存储在中心。叮咬推进器和高增益天线安装在相反的飞船。OICAM和紫外线指数是安装在反对派对着陆器在羽流flythrough限制他们的退化。伊玛目是直接安装在探测器。
图6。在埃特纳火山的宇宙飞船艺术家的表演。(一)轨道的横向视图紫外线指数,OICAM, RS仪器是可见的。(B)侧面图的轨道探测器连接是可见的。(C)埃特纳火山落在实验室的一个视图,突显出着陆器脚设计,显示了广泛的表面区域和牙齿。(D)的飞行器结构设计视图显示了伊玛目包,超高频天线,和羽流粒子缓存所有固定的探测器,以及地方政府投资公司和可部署SHOOC探头连接到探测器。虚线显示粒子的特写视图缓存,包括气凝胶立方体。(E)自上而下的抽样收集板羽粒子缓存。气凝胶块接触一次,将通过光谱仪。规模,RS菜(A, B)3 m在缓存和粒子在吗(一部)是40厘米。注意油箱不包括在这个艺术家的表演,但被认为是球形目前设计阶段(半径= 0.41,0.56,和0.71米;8.1.7节)。
8.1.2权力
任务由低太阳能发电是有限的通量在土星(15 W / m2)。我们考虑了两种轨道飞行器的电源:放射性同位素热电发生器(银行均)和太阳能电池板。补充表S2展示了权力的交易评价子系统,这最终导致了选择轮胎式龙门吊系统由于良好的质量和实力排名和易于集成。其主管质量与潜在的复杂影响行星保护测量,这就不需要太阳能电池板。然而,我们发现太阳能电池板的发电任务约束下不可行。所需的大表面积足够的太阳能电池板将对航天器质量预算总额的主要负担,不仅结构,而且对其他子系统考虑到板的高惯性和机制的存在(本森,2007)。此外,太阳能电池板会增加复杂性在泵在土卫二高扭矩飞船会有经验。
航天飞机电力需求计算不同操作模式的宇宙飞船。最大功耗的设计驱动电源子系统。它发生在通信时槽与地球通信子系统需要100 W,以确保适当的数据速率与地面站。在这个阶段,态度决定和控制子系统(adc)需要60.5 W,以确保适当的态度估计和控制。机载计算机(OBC)需要12 W±5 W附加着陆器管家,导致峰值功率总消费量为177.5 W。我们应用20%的保证金消费高峰场景选择银行均的数量。
埃特纳使用多任务放射性同位素热电发生器(MMRTGs),提供110 W和72 W开始,临终(波尔;分别EOL) (Woerner et al ., 2013)。这个设计已经从卡西尼遗产,885 - w轮胎式龙门吊系统卡西尼(2003年亨利,;Woerner 2017)。质量和电力设计的银行均从最近的设计推导出火星好奇心探测车,有45公斤轮胎式龙门吊在70 W生物(贝克特尔,2013)。通过考虑火星好奇心轮胎式龙门吊的特点,我们选择的轮胎式龙门吊的三倍大(135公斤)和生产力量EOL的三倍(210 W)。注意,更轻和紧凑的设计目前正在研究(Woerner 2017),我们认为我们当前的大规模预算是保守的。电源子系统包括电池,确保24小时的能量在213 W(即消费。上层endmember功耗场景+ 20%保证金)。使用NASA欧罗巴快船Li-CFx电池作为估计的基础(350 Wh /公斤energy-to-mass比率),并通过考虑电力的20% (Surampudi et al ., 2018),然后埃特纳火山的电池组质量飞行器估计15公斤。这确保了下行的科学数据和通信与地面MMRTGs故障。值得注意的是,电池是不包括在卡西尼号的设计(2003年亨利,),但包括在埃特纳对权力边缘下行数据的意想不到的致命的轮胎式龙门吊故障。
8.1.3态度决定和控制
飞船adc设计是通用的任务阶段,由12个粗太阳敏感器,防止相机指向太阳一个惯性测量单元(IMU),两个星跟踪器校准IMU和确保惯性指出,一个导航相机支持飞越插入操作和土卫二,四个反应轮在锥体配置中,和16个其它肼推进器,以确保指向和轮减饱和。这个设计已经从卡西尼宇宙飞船(遗产李和伯克,2019年),所有选定的组件有很高的trl 7到9。
8.1.4沟通
卫星通信子系统运行在x波段(8 - 10 GHz;Bruder et al ., 2003)名义双向通信、双向多普勒和测距测量跟踪(桑顿和边境,2003年)和微分单向变化范围(金龟子)(詹姆斯et al ., 2009),它总是在单向模式下执行。它还包括一个ka波段(27-40 GHz;Bruder et al ., 2003重力科学)双向载波跟踪能力。通信系统是由一个模,100公斤近半年的遗产卡西尼(泰勒et al ., 2002)。近半年确保数据率与70米1.66 Mbps的DSN天线利用ESA mpt(多目标跟踪系统)等。此外,系统确保最低1000 kbps到34米的遥测DSN和ESA mtp包括地面站。注意,最低遥测需要计算大气和几何条件最有利的链路预算。如果飞船进入安全模式,沟通是保证低增益天线(LGA)有一个命令和数据率是7个基点10个基点遥测与70米DSN天线。在关键事件,如主发动机燃烧、通信链路只是确保LGA在下行。通信与着陆器在特高频带(0.3 3 GHz;Bruder et al ., 2003)使用quadrifilar螺旋面天线,支持两种Mbps的连接。
8.1.5机载数据处理
航天器的计算机开发的克里奥尔语ASIC RUAG空间实验室的9。冗余和风险缓解,两个简称OBCs包括在内。克里奥尔语ASIC有两个374 gbit记忆错误检测和校正(EDAC),使设计的高数据量。宇宙飞船也有NAND闪存Module-DDC 196 gbit的记忆,它允许几个土卫二轨道和数据收集事件,而不需要直接下行地球,作为最高销售量数据段15 gbit测量从OICAM期间(收购)。因此,所有OICAM映射可以执行没有下行地球。今后的工作需要进一步完善数据总量估计为每个操作阶段和调度数据下行操作。
考虑到低辐射环境的土星、封闭和单一事件令(即。,events from particles impacting the electronics that cause hardware damage) should not be a major issue for the OBC, given the radiation hardening of the selected components.
8.1.6热
热控制系统的目的是尽量减少外部环境对航天器的影响,同时承受严酷的高温在太阳能加热内行星飞越,也严厉的低温在土星的系统。恩克拉多斯,埃特纳火山的一些外部表面将经历温度<−200°C,甚至更冷的气候条件在日食期间当飞船在土星的阴影。埃特纳火山的任务,操作允许飞行温度(AFT)限制−20 - 40°C和非经营性船尾极限−40 - 70°C。
保护航天器及其组件的热环境,效率高多层绝缘(多层互连)和通用热源(加仑小时)从MMRTG模块使用。多层互连材料选择毯子飞船的外部是StaMet涂黑色聚酰亚胺薄膜160 xc (阿维拉et al ., 1998)。多层互连温和派在飞船外部温度的最接近太阳。近半年的也可以用作隔热,是卡西尼(Fabiani Costabile, 1997)。多层互连还必须限制热量泄漏减少电力需求从飞船的加热器,特别是当仪器操作在科学和通信阶段。热子系统需要内部热代履行操作和非经营性船尾需求。火星的好奇心的MMRTG由8-GPHS模块(Woerner et al ., 2013),它可以提供每个模块的热功率250 W。随着轨道MMRTG而产生三倍力量(8.1.2节),我们估计MMRTG生成足够的热功率。顺便利用的热量,这是一个副产品的核能发电,遵守埃特纳火山的温度要求。因此,没有其他轮胎式龙门吊被认为是热发电和电力系统热副产品用于满足温度要求。热管的热量分布的关键子系统。
我们计算温度中心飞行器内部和外部面临的“冷”和“热”的情况下,有或没有MMRTG火电(补充表S3)。需要更多的详细的分析来理解如果MMRTGs可以利用,以确保正确的轨道器加热,无需其他热源。
8.1.7推进
飞行器的推进系统使用肼燃料自燃二元燃料系统,混合氧化物氮(星期一)为氧化剂,和氦pressurant。LEROS 1 b的主要引擎,它提供了635 N的推力在一个特定的320年代的冲动和一个oxidizer-fuel比率为1.65。轨道飞行器也配备了16个反应控制系统(RCS)可节流引擎,这是其它肼推进器运作230年代在一个特定的冲动。这些RCS引擎使用肼单元燃料配置。两个引擎有强壮的飞行遗产,包括使用NASA对飞往木星的朱诺号(史蒂芬斯2015)。
系统预算执行所有轨道机动第7节中给出。这对应于1519.08公斤的肼和2506.48公斤的MON存储在球形碳纤维外包装坦克半径为0.71米和0.56米,分别。这提供了一个气隙总量的5%时完全填满。坦克与惰性氦气加压到1.54 MPa,存储在一个单独的复合外包装压力容器半径为0.41米。埃特纳火山包括一个65公斤这样的泵机组在卡西尼(利兹et al ., 1996),以确保正确的子系统中的分布和增压。
8.2探测器的设计
登陆实验室包括伊玛目套件、温度传感器、一系列的相机着陆和科学调查的目的,包括地方政府投资公司,和部署SHOOC网络(图6)。登陆实验室的设计深受1)发电的需要至少7天,2)软自主降落在潜在的多孔地形。在本节中,我们描述了不同的子系统。着陆器总干质量除SHOOC探测器估计95.5公斤(表4;补充表S4)。
8.2.1结构设计
探测器结构是铝制底盘与铝蜂窝碳纤维板。最外层是与辐射传热控制聚酯薄膜包围。腿来自欧罗巴着陆器着陆的概念(杜利,2018),并允许降落在一组不同的地面条件(如坚冰,风化层,疏松的冰冷的材料)。着陆器中心离地面,减少仪器被损坏的风险环境中降落。着陆器的脚有很大的表面积提供稳定和防止陷入雪表面上。每个探测器底有牙齿,防止滑脱的降落在不平的地面(图6 c)。
8.2.2权力
飞船降落实验室需要操作的地球至少7天,时间现场科学分析是进行实验室和数据传回给飞行器,然后再把数据传回地球。我们考虑三个不同的选项而探索潜在的贸易空间电源:银行均,太阳能板和电池(补充表S5)。与飞行器电源设计(8.1.2节),太阳能电池板不利是由于不利的质量,权力,和操作寿命特性。银行均提供理想的发电、热生成和运行长度,但与高成本的行星保护要求。一个保护壳轮胎式龙门吊可能有助于防止潜在的污染(Konstantinidis et al ., 2015)。此外,最近工作Orbilander研究(MacKenzie et al ., 2020,2021年)表明,轮胎式龙门吊的热量不可能融化冰外壳表面温度< 85 K和改变地下海洋化学。然而,考虑到临界的行星保护天体生物学的使命,我们选择使用电池基于欧罗巴探测器的研究执行任务(杜利,2018;手et al ., 2022)。这些电池可以持续好几天,energy-to-mass比率很高(> 700 Wh /公斤),这使他们适合外行星探索(杜利,2018;Bugga布兰登,2020)。着陆器的电力需求(不含热子系统)是2978.8 Wh 20%保证金操作(1周表5)。假设连续热子系统需要90 W功率电阻加热器(8.2.6节),总能量储存在电池是18098 .7 Wh。这种能量存储在一个27公斤李/ CF提供多达18900 Wh的电池组。
表5。探测器的功率预算。GNC的着陆器的运作和推进系统的下降和着陆阶段30分钟。探测器仪器分析收集到的样本的1 h在示例分析阶段。通讯系统1 h和卫星通信在通信阶段发生的每一个轨道通道(每13.3 h)。机载计算机连续工作整体着陆器操作在所有阶段。
8.2.3态度和轨道确定和控制
虽然名义上着陆预计将发生在照明,仍有地区的影子。GNC套件包括一个视觉相机和闪光灯激光雷达安装在探测器的肚子,使降落在差(或非)照明区域。flash激光雷达从OSIRIS-REx遗产任务(Sornsin et al ., 2019),已经显示出令人信服的表演从3公里到0.3米的高度,并能支持自主精确着陆(Kanani et al ., 2016)。相机和IMU的着陆阶段是保证融合基于特征跟踪的图像处理技术在土卫二的表面(Duteis et al ., 2019)。验证和确认研究使用合成测量从高保真渲染引擎(例如,Lebreton et al ., 2021)和半实物测试(Duteis et al ., 2019)将发生试生产。hydrazine-based反应的控制系统是由控制系统能够抑制着陆器振荡由于推进器失效,东方着陆器正确在下降。
8.2.4沟通
虹膜的着陆器通信子系统由应答器在UHF波段medium-gain天线。它是特高频带的双向通信(命令和遥测)和数据中继从着陆器飞船。链路预算旨在处理highest-data-volume通信上行,伊玛目样本分析后发生(1.6∼gbit的数据)。的其他能见度windows用于继电器SHOOC探针和家政信息。
8.2.5机载数据处理
在登月舱能见度与着陆器进行通信,将数据存储在一个196 gbit NAND Flash Module-DDC。机载高数据存储能力确保足够的内存甚至失去了通信通道。机载数据处理由两个莱昂3英尺车载电脑,一个用于冗余,为他们选择哈里斯和高可靠性实验室的9。
8.2.6热
着陆器面临挑战在土卫二的表面热条件。四个着陆器腿最小化导电热损失对环境通过限制路径仪表和航空电子设备的热表面。尽管这个设计,着陆器需要主动加热整个任务完成手术和非手术船尾需求。
登陆器功耗提供了90 W的热功率电阻加热器的登陆操作。电池组生产额外的热功率90 W (1 W的热功率每瓦特电能;施密特和班达里,2019年),不考虑其他能源消耗由于操作。因此,至少180 W的热功率可用于加热着陆器手术期间的生活。加上热管道和保温,这热功率可以用来满足温度要求,在欧罗巴着陆器研究(施密特和班达里,2019年)。注意,进一步的分析需要大小的电能和热能子系统优化的解决方案。我们当前的设计包括电池放置在探测器中心,类似于欧罗巴着陆器。
8.2.7推进
探测器被设计来处理软自主着陆。确保安全、准确的交付的着陆器,动力着陆将在飞船上实现。飞行器的推进系统是一个单元燃料系统使用肼和氦加压。推进系统由四个单元燃料引擎能够单独节流之间1.3和5.3 N,给飞行器的能力脱离轨道,下降,土地。引擎飞行遗产从他们使用的轨迹校正引擎火星科学实验室(维斯和格恩西岛,2013年)。
四个引擎静态连接到中央枢纽和指向着陆表面由于姿态控制是管理的反应。每个引擎的速度消耗肼0.6 - -2.4 g / s和230年代经营与特定的冲动。软着陆的探测器能够两个引擎引擎故障。总消耗品,包括所需的RCS质量,36.5公斤,这是存储在一个共享池着陆器。一个单独的氦槽提供了必要的28-bar给水压力。
8.3 SHOOC系统设计
SHOOC系统是一个专门设计的,分布式网络使地震调查Encealdus的内部。它包括一个冲击质量由轨道飞行器和三个部署16.3公斤探测器(表4,6)由分散的着陆器着陆顺序。
表6。权力和大规模预算为单个SHOOC探针(注:埃特纳包括三个)。探针传感器套件和地球简称OBCs连续运行7天。的通信系统与着陆器每24小时30分钟。
正如6.7节中所讨论的,SHOOC系统工作首先在被动模式下(测量背景地面运动)然后在主动模式,开始当一个冲击56公斤的金属质量是释放125公里的轨道高度,创建一个本地地震冲击表面附近的探测器。撞击器是由不同的材料,如果中断,可以唯一标识从产于恩克拉多斯的材料。
每个探测器传感器包温度传感器和微型检波器来检测声信号并将它们存储在本地内存中数据处理子系统。地震检波器是定制设计,使直接接触地面地震监测(IMU系统可以告诉地面接触时使用一个内置的加速度计)。
减震器是位于底部的每个探测器,设计了皱纹和防止跳跃或损坏调查。如果地面覆盖着柔软的雪,探测器将洞穴本身,如果地面坚冰,减振器将着陆的影响。
一次调查土地,它扩展存储,直到接触是由管状成员合并表面(图7),或者到管状成员延伸到它的全部长度。扩展成员提高了信噪比,降低地震抑制一层雪。接下来,一个1.5米伸缩管状桅杆顶端的部署调查。这桅杆安装的天线,它的目的是清除表面允许与着陆器在超高频通信,即使在情况调查成为受沉积柱材料或沉入低孔,白雪皑皑的表层。
图7。艺术家的表演SHOOC系统。示意图说明SHOOC调查嵌入在土卫二的表面,与伸缩组件部署。的放大显示内部调查的横截面图。规模,管状桅杆1.5米长。
温度控制是管理一个气凝胶隔热层和内部电阻加热器。选择了气凝胶的热导率低(0.01∼W /可;琼斯和Sakamotot, 2006年),可能会导致低功耗电阻加热器。当前设计不占一个详细的热分析,我们估计1电池足以SHOOC期间电力加热器系统操作。详细的研究应该在未来的工作理解所需的功率加热系统,优化气凝胶隔热材料的厚度,来证明的可行性提出了低功耗加热器和气凝胶隔热和1 w的合规要求。
三个SHOOC探针独立运作,不断地球至少七天。每个探测主机进行通信的通信子系统的着陆器30分钟每24 h,导致345.24 Wh的总功率预算,其中包括20%的保证金(表6)。利用相同的电池的着陆器,2公斤电池包是包含在每个SHOOC探测器,满足电力子系统需求。
考虑到着陆器释放探测器在其后裔轨迹,着陆器和探针之间的最大距离是保守估计为45公里的通信设计是45公里。每个SHOOC探针的通信系统可以管理多达450 mbit每地球日的数据,发送到着陆器通过特高频带的单向链接。通信系统工程在400 MHz和可以发送> 1 gbit的数据在30分钟,这比足以把科学和管理数据的调查。
9的结论
埃特纳火山任务概念提供了一个恩克拉多斯探索建筑的了解的起源和演化可居住和生活在我们的太阳系轨道观测、羽流穿越,降落样本分析。转型恩克拉多斯的下一阶段科学必须超越评估月球的可居住性,鉴于卡西尼展示了一个基线的适居性同时存在液态水,必要的生活正如我们所知,化学成分(如碳氢化合物、有机物、盐和腈),和一个能量源(水岩相互作用)。恩克拉多斯的下一个投资科学应该关注生命的迹象(生物特征描述土卫二是什么?)和过程(恩克拉多斯提供居住条件吗?)。一个高度集中于天体生物学(恩克拉多斯的使命或者是月球曾经有人居住吗?回报率)将提供最大的新太阳系科学,和这样一个任务可能超出一个新的Frontiers-class架构Flagship-class架构。雷竞技rebat这是协同的战略概述了最近发布的起源、世界,和生活:十年战略行星科学和太空生物学2023 - 2032 (美国核管理委员会,2022),它重视天体生物学科学调查的土卫二使用orbiter-lander相结合的方法。
数据可用性声明
最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/补充材料,进一步的调查可以针对相应的作者。
作者的贡献
所有作者的贡献同样埃特纳火山的概念和设计任务,并最终建立一个研究报告在加州理工学院空间提出了挑战,作为本文的初步版本。和PP迭代的设计和写这篇论文。LT-O VDP, YHC、简历和TM写作提供了重要的反馈和支持。
资金
特约作者/都是学生参加了加州理工学院第五空间的挑战,这是由洛克希德·马丁公司赞助和支持,凯克空间科学研究所,诺斯罗普·格鲁曼公司、航空公司,美国宇航局喷气推进实验室,GALcit, Moore-Hufstedler基金和加州理工学院。
确认
我们感激地承认由弗朗西斯·尼姆有用的评论和一个评论家。我们非常感谢下列人员的指导和支持:s Toedtli f•罗耶,n . Angold m .电缆t·诺,j·d·兰道。德拉克罗伊,j .。卡拉g . Meiron-Grith t . Heinsheimer d·默罗,喷气推进实验室的团队。我们还要感谢团队“航行者”号的热烈的参与者,他参加了2019年CSC: k . Valachandran·卡普西奥j . Di k . Doerksen j . Fuchs a . Gloder r . Jolitz m . Li d . Limonchik l . Massarweh a . Meszaros d . Naftalovich大肠内森,t . Peev m·罗维拉纳瓦罗和美国Santra。这个任务设计不可能一直没有洛克希德·马丁公司的支持和资助,凯克空间科学研究所,诺斯罗普·格鲁曼公司,航空公司,美国宇航局喷气推进实验室,GALcit, Moore-Hufstedler基金和加州理工学院。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
出版商的注意
本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。
补充材料
本文的补充材料在网上可以找到:https://www.雷竞技rebatfrontiersin.org/articles/10.3389/fspas.2022.1028357/full补充材料。
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关键词:土卫二,可居住,天体生物学、生物特征、任务的概念,地震网络,羽毛样本分析、新领域雷竞技rebat
引用:多伊奇,Panicucci P,李Tenelanda-Osorio Da Poian V,曹YH, Venigalla C, Mathanlal T,卡斯蒂略种社会E,冈萨雷斯Peytavi G, Guarriello, Gunasekara O,琼斯L, Krasteva M, Pouplin J,维拉纽瓦N和Zaref年代(2022)埃特纳任务概念:评估一个活跃的海洋世界的适居性。前面。阿斯特朗。空间科学。9:1028357。doi: 10.3389 / fspas.2022.1028357
收到:2022年8月25日;接受:2022年11月21日;
发表:2022年12月14日。
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保罗•卡普西奥Sapienza大学意大利罗马版权©2022 Deutsch Panicucci Tenelanda-Osorio, Da Poian,赵,Venigalla, Mathanlal,卡斯蒂略种社会,冈萨雷斯Peytavi, Guarriello, Gunasekara,琼斯,Krasteva, Pouplin,维拉纽瓦和Zaref。这是一个开放分布式根据文章知识共享归属许可(CC)。使用、分发或复制在其他论坛是允许的,提供了原始作者(年代)和著作权人(s)认为,最初发表在这个期刊引用,按照公认的学术实践。没有使用、分发或复制是不符合这些条件的允许。
*通信:阿里尔n . Deutschariel.deutsch@nasa.gov
‡现在地址:Ariel n . Deutsch NASA艾姆斯研究中心,莫菲特场、钙、美国
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