Jupiter Icy måner Orbiter (Jimo) er et forladtrumsondeprojektdesignet til at udforskeis månerafJupiter. Hovedmålet varEuropa, hvis hav anses for at være den mest sandsynlige vugge i det tidlige liv i solsystemet. GanymedesogCallisto, som nu menes at have flydende og salte oceaner under deres isflader, blev også målrettet af missionen. Dette er den første variation afPrometheus-projektet, så JIMO-projektet kaldes oftePrometheus-projekteti forlængelse.
I begyndelsen af 2000'erne lancerede NASA systemprogrammet og nukleare teknologier Prometheus ( Prometheus Nuclear Systems and Technology Program ), det var at fremme en ny tilgang til rumforskning med atomenergien, der giver øget manøvredygtighed (tillader flere destinationer og / eller store nyttelast) ) og et væld af elektrisk energi (i stand til at drive nye typer videnskabelige eksperimenter og høje datahastigheder).
Inden for dette program definerer hun udviklingen af en familie af køretøjer baseret på dette nye paradigme. Den første af disse køretøjer, Prometheus 1, skulle fungere som demonstrant for denne nye teknologiske strategi ved at udføre den mission, der hedder JIMO. Efter afslutningen af programmet, da JIMO-missionen var den eneste, der blev undersøgt inden for rammerne af projektet, blev terminologien mindre formel, og vi refererer nu til projektet, køretøjet eller missionen ligegyldigt ved udtrykkene JIMO eller Prometheus.
JIMO er også en del af en række sondeundersøgelser for Europa, motiveret af den ti-årige plan for rumforskning fra National Academy of Sciences . Denne sonde skulle derefter tjene som model for nye efterforskningsmissioner af de ydre planeter.
NASA indledte den omfattende undersøgelsesfase ved September 2002, som ender i Februar 2003præsentationen af en foreløbig version kaldet JIMT ( Jupiter Icy Moons Tour ), tilgængelig i tre energikildeindstillinger: sol, radioisotopisk eller nuklear. Denne sidste mulighed blev præsenteret som den eneste, der var i stand til at nå det Joviske mål med en nyttelast på 490 kg til en rimelig startmasse (i dette tilfælde 23 t ). Køretøjet skulle anbringes i en lav jordbane (LEO ) af en tung affyringsraket uden atomreaktoren, der ville have sluttet sig til det i rumfærgen for at blive samlet i kredsløb.
Den næste fase af specifikationen af systemerne og missionen blev afsluttet med Marts 2003 på Juli 2005. Den fremlagde et køretøj af 36 t oprindelig masse, med 12 t af xenon og 1.500 kg nyttelast. Designet og fremstillingen af den ikke-nukleare del af køretøjet skulle udføres af JPL i samarbejde med Northrop Grumman , mens Los Alamos National Laboratory producerede atomreaktoren under ledelse af USAs energiministerium. DOE) og hjælp fra Bettis Atomic Power Laboratory (i) den amerikanske flåde.
JIMO måtte tælle mange teknologiske innovationer. Det skulle drives af en ionmotor drevet af en lille atomreaktor . Den termodynamiske elektriske konvertering skulle give 1000 gange mere strøm end til en sonde, der drives af RTG eller solpaneler , hvilket tillader, ud over manøvrer ved ionisk fremdrift, brug af en radar, der er i stand til at undersøge det indre af månerne og en transmission af data båndbredde .
Før designfasen begyndte, skiftede NASA's prioriteter og skiftede mod bemandede missioner. Finansieringen til projektet sluttede i 2005, hvilket effektivt annullerede missionen. Blandt andre emner blev den foreslåede nukleare teknologi anset for for ambitiøs til en demonstrant, ligesom flerdelt lancering og samling i kredsløb. Nogle af de involverede hold arbejdede derefter på et mini-atomkraftværksprojekt til FSPS ( Fission Surface Power System ) til den officielle afslutning af projektet iOktober 2005.
Projektet havde derefter kostet 460 millioner USD, og dets endelige omkostninger blev anslået til 16 milliarder USD.
Sonden er struktureret omkring en lang mast, der bærer reaktoren i den ene ende og thrustere og videnskabelige instrumenter i den anden ende. Mellem de to strækker sig reaktorens varmeafledningspaneler. Masten har tre hængsler, som tillader køretøjet at blive foldet op og indeholdt i en raket fairing 4,5 m i diameter med 26 m i højden.
Da projektet blev stoppet, havde der ikke været noget endeligt valg af den type reaktor, der skulle bruges på sonden, men blandt dem, der blev foreslået af DOE, var følgende konfiguration den mest sandsynlige.
Reaktoren er placeret helt foran køretøjet, skjult bag et skjold lavet af neutronabsorberende materiale og wolfram ( gammastråleabsorber ), der beskytter den flade koniske zone (6 ° × 12 °), hvor resten af motoren er placeret køretøj.
Det fungerer i et hurtigt spektrum, og dets reaktivitet reguleres af glidereflektorer kontrolleret af stænger, der passerer gennem skjoldet. Den får strøm til at kunne levere 1 termisk MW i 15 år.
Det afkøles af et gaskredsløb koblet direkte til fire omformere (to aktive og to back-up), der fungerer i en lukket Brayton-cyklus : Helium - xenon- blandingen forlader reaktoren ved 1150 K , driver en turbine , passerer gennem en recuperator , derefter en veksler med radiatorkredsløbet, passerer den derefter gennem en turbopumpe, som returnerer den til recuperatoren og til reaktoren. Pumpen og turbinen er koblet med den samme rotationsakse, som der også er en generator, der genererer op til 100 kW elektrisk kraft.
På den anden side af veksleren cirkulerer radiatorkredsen, der drives af en elektrisk pumpe, vand eller NaK i de 532 m 2 paneler, der er anbragt langs masten i skyggen af skjoldet.
Reaktoren er omgivet af beskyttelse mod mikrometeoritter . Under lanceringen er den desuden pakket ind i en titanium- og carbon-phenol-kompositskal, og en neutrongiftstang indsættes i dens kerne, hvilket forhindrer forurening af det jordbaserede miljø i tilfælde af utilsigtet atmosfærisk genindtræden og nedsænkning. Imidlertid var virkningerne af en jordpåvirkning endnu ikke blevet vurderet og imødegået. Disse sikkerhedsforanstaltninger frigøres, efter at sonden er skubbet ud fra jordens bane, og før reaktoren startes op.
De testede iondrivere, kaldet HiPEP ( High Power Electric Propulsion ) og NEXIS ( Nuclear Electric Xenon Ion System ), stammer fra gitterelektrostatiske iondrivere som den, der blev brugt på Deep Space 1 . HiPEP adskiller sig ved sin gasioniseringsteknik baseret på mikrobølgeinduktion og NEXIS ved homogeniteten af dets plasma og dets kulstofrist. Disse variationer giver en betydelig forbedring i effektiviteten, kraften og levetiden for denne type motor. Den planlagte model for sonden ved navn Heracles skulle designes på baggrund af resultaterne af test udført på disse to forløbermodeller. Dens specifikke impuls blev forudsagt ved 6000 s.
HiPEP-thruster
HiPEP i drift
NEXIS-thruster
NEXIS i drift
Thrusterne skulle arrangeres i to naceller, der hver indeholdt 4 ionmotorer, 3 store Hall-effekt- thrustere og 6 mindre Hall-effekt-thrustere til holdningskontrol. Disse naceller er forbundet med køretøjet ved hjælp af leddelte monteringer, der gør det muligt at opnå vektorisk fremdrift , hvilket delvis sikrer holdningskontrol til en lavere pris.
Lavstråleskub og den resulterende spiraloverføringssti giver flere afgangsmuligheder og mindre følsomhed over for afvigelser fra den optimale dato i hvert startvindue .
Den høje specifikke impuls gør det muligt at reducere brændstofmassen (eller for at øge nyttelasten), men på grund af det lave tryk er manøvrer i flugt eller fangst i intense tyngdefelter meget tidskrævende. For ikke at tilbringe måneder med at gå rundt omkring jorden sikres afgangen med to overførselsfaser med kemisk fremdrift.
Køretøjet sættes derfor i LEO ved tre affyringer med en endnu ikke udtænkt 40 t løfteraketter med lav kredsløbskapacitet. Samlingen udføres derefter ved automatisk surring. Sonden har oprindeligt et fortøjningssegment, der sikrer funktionerne inden dens implementering og opstart (strømforsyning med solpaneler, UHF-radioforbindelse og holdningskontrol med hydrazin- thrustere ). Dette segment frigives inden den interplanetære transit.
I slutningen af projektet blev de videnskabelige mål og køretøjets muligheder defineret, men instrumenterne blev ikke valgt. Dette valg skulle træffes i januar 2008 efter konsultation med det videnskabelige samfund og underleverandører. Ikke desto mindre forventedes visse enheder på basis af JIMT-undersøgelsen stærkt.
De videnskabelige specifikationer krævede, at de tre besøgte måner kortlægges af kameraer og teleskoper med en opløsning på 25 cm / pixel og Io med 1 km / pixel. Relief-topografien skulle udføres af en syntetisk blænderadar, der kørte med en effekt på 5 kW ved 35 GHz , og den opnåede lodrette opløsning var mindre end en meter.
Lyden af det indre af isskorperne på satellitterne skulle udføres af en radar med høj effekt, der består af tre Yagi-antenner , der er i stand til at observere glacial stratigrafi og grænsefladen med havet op til 20 km dyb.
Massespektrometre skulle analysere det neutrale og ioniserede stof, der blev kastet ud fra overfladen af de besøgte måner. I denne type eksperimenter foretrækkes det at analysere det neutrale stof, fordi det ioniserede stof sættes i bevægelse af det lokale magnetfelt, og det er derefter vanskeligt at korrelere dets kemiske sammensætning med sin oprindelige placering. Neutralt stof, hvis det er ”immobile” i forhold til dets produktionssted, er på den anden side klart mindre rigeligt. Det er derfor blevet foreslået at forårsage udstødning af materiale ved at fjerne overfladen af månerne ved hjælp af laser eller ved strømmen af xenon opnået ved at pege sondens motorer mod overfladen.
Kommunikation med Jorden placeret ved mere end 6 AU måtte kunne overføre 50 Mbit / s data. Den krævede effekt til en sådan strøm, hvis den stilles til rådighed af kernekraftkilden, overstiger i høj grad kapaciteten for et vandrende bølgerør , hvorfor kommunikationssystemet skulle kobles til enten en gruppe på fire antenner eller til en endnu ikke designet rørkombiner.
Da Europa var det vigtigste videnskabelige mål, skulle 25% af nyttelasten afsættes til et ESSP ( Europa Surface Science Package ) overfladeeksperiment inklusive en ELM- lander ( Europa Lander Mission ). Han ville have deponeret et 38,7 kg modul (230 kg inklusive vægten af hans raketter og landingsairbags) drevet af en lille RTG. Modulet ville have sendt sine målinger i løbet af de 30 dage af sondens bane omkring månen.
Det blev foreslået at tilføje til missionen et modul til nedstigning i den joviske atmosfære og muligvis en relaysatellit. Modulet skulle fungere op til et tryk på 100 atmosfærer , meget længere end det, der blev frigivet af Galileo- sonden i 1995, som blev ødelagt ved et tryk på 23 atm. Men dette yderligere mål ville have krævet for mange ændringer af det oprindelige projekt eller de primære mål.
Fra Maj 2015, tre lanceringer måtte udføres for at sætte LEO og samle de to faser af overførsler og sonden. Overførselsstadierne skulle drive sonden ud af jordens nærhed under lanceringsvinduet, der strakte sig fra slutningenoktober 2015 halvvejsjanuar 2016.
I løbet af måneden efter denne første manøvre skulle sonden gøres operationel ved at indsætte dens strukturer, aktivere og teste reaktoren og thrustere. Den interplanetære overførsel ville derefter have varet indtilApril 2021, periode hvor ionmotorer ville have fungeret 2/3 af tiden.
Ankommet til Jupiters indflydelseszone ville navigationen af sonden være blevet mere kompleks og delikat. I dette tyngdemiljø forstyrret af interaktionen mellem mange kroppe er levetiden for en bane omkring en måne kort, og i mangel eller manglende evne til korrektioner ville sonden være dømt til at gå ned efter et par uger. På den anden side giver dynamikken i disse mange organer mange muligheder for manøvrering ved hjælp af tyngdekraften , så det forventedes, at med denne teknik ville alle overførsler mellem satellitterne have sparet 80% af den mængde brændstof, der teoretisk er nødvendig for denne teknik. del af missionen. Indfangningen af sonden ved den første destination, Callisto ville have varet næsten et år (indtilFebruar 2022).
Sonden ville have studeret Callisto og derefter Ganymedes i 3 måneder hver og endelig Europa i 1 måned. Hun ville have observeret Io, når hendes position og begrænsningerne i den primære mission tillod det. Den rækkefølge, i hvilken månerne er besøgt startende fra det yderste, gør det muligt at minimere Jupiters bestråling af instrumenter under sondens livscyklus.
I slutningen af sin mission i September 2025måtte køretøjet parkeres i en stabil bane rundt om i Europa på trods af Jupiters nærhed.