Ett högupplöst radaruppdrag till jordens "onda tvilling" Venus, en rymdfarkost för att upptäcka de kraftigaste explosionerna i universum och ett observatorium för de coola, dammigt kosmos för att undersöka stjärnors ursprung:ESA:s Concurrent Design Facility har genomfört förstudier av tävlande kandidater till det femte medelklassuppdraget i byråns Cosmic Vision vetenskapsprogram, planerad att lanseras 2032.

Concurrent Design Facility, eller CDF, ser ut som ett flygkontrollrum, ovanför huvudsviten av rymdlaboratorier i ESA:s tekniska hjärta i Nederländerna. Sammanlänkade konsoler är placerade framför en 6 meter lång multimediavägg, att vara värd för representanter för alla discipliner för rymduppdrag. Dock, det här är inte en plats för att styra satelliter, utan att skapa dem.

Team av experter samlas här för att utföra inledande studier av föreslagna framtida uppdrag, snabbt fastställa deras genomförbarhet före efterföljande industriell utveckling. CDF har hittills utfört mer än 250 studier under över 20 års verksamhet, inklusive många uppdrag som har utvecklats för rymden som Solar Orbiter, Athena och OpsSat.

"Concurrent engineering innebär att samla alla nödvändiga experter i ett enda rum för att arbeta tillsammans i realtid, " förklarar Massimo Bandechhi, grundare av CDF.

Precis som ett uppdragskontrollteam, expertrepresentanter för alla rymdfarkoster samlas, inklusive strukturer och konfigurationer, mekanismer, flygdynamik, kraft, termisk kontroll och framdrivning, samt specialister på teknisk risk, organisation och kostnadsteknik. Detta kombinerade team arbetar med en design för att möta uppdragets mål inom fastställd massa, kostnad och tidsgränser.

"Samarbete är baserat på en delad mjukvarumodell för uppdraget. Denna modells konfiguration uppdateras när varje delsystemändring görs, visar effekterna av varje uppdatering på systemnivå för alla samtidigt. Med alla discipliner som bidrar på samma tid och plats, vi hanterar problem ur alla synvinklar, att förvandla en naturligt sekventiell process till något mer "samtidigt".

CDF genomförde nyligen studier av ESA Science Directorates tre M5-uppdragskandidater, att definiera uppdragskoncepten i detalj och se hur de skulle fungera i praktiken, identifiera alla kritiska teknologier som krävs för att göra varje uppdrag möjligt och analysera deras sannolika utvecklingskostnad, risk och schema.

EnVision

EnVision är ett uppdrag att flyga ett högupplöst radarsystem till vår närliggande drivhusplanet Venus för att upptäcka markrörelser i centimeterskala som bevis på dagens vulkaniska aktivitet, samt bära ett underjordiskt radarljud och en svit spektrometrar för att övervaka spårgaser i dess tjocka, giftig atmosfär.

CDF-studien fann att venusiska förhållanden har konsekvenser för huvudinstrumentets design:radarfrekvensen valdes för att minimera störningar från fasskiftande svavelsyradroppar i atmosfären.

Studien övervägde kemiska och elektriska framdrivningsalternativ för rymdfarkosten, och undersökte hur EnVision kunde dra fördel av sin Venus atmosfär för att aerobromsa in i omloppsbana. Rymdfarkosten skulle behöva ta hänsyn till den högre temperaturen på Venus omloppsbana – två gånger jordens normala – med svart färg, 10-lagers flerskiktsisoleringsomslag, värmerör och optiska ytreflektorer.

Termiska frågor togs upp för uppdragets marksegment också, med kryokylning föreslagen för att maximera antennkänsligheten för förbättrad hämtning av uppdragsresultat. EnVision studeras som ett ESA-uppdrag med betydande bidrag från NASA.

Theseus

Theseus, en akronym för Transient High Energy Sky och Early Universe Surveyor skulle upptäcka röntgen- och gammastrålkällor över hela himlen. Särskilt, Theseus är designad för att uppnå ett stort genombrott i upptäckten av Gamma Ray Burst (GRB) vid kosmologiska rödförskjutningsskalor.

Dessa massiva explosioner från avlägsna galaxer tros vara orsakade av kollapsen av supermassiva stjärnor från universums första miljarder år, ger insikt i den allra första generationen stjärnor, och genom sammanslagning av neutronstjärnor – den senare typen av händelser producerar också gravitationsvågor.

Theseus skulle bära ett infrarött (IR) teleskop, en mjuk röntgenkamera och en röntgen- och gammaspektrometer (eller "y-ray"). Genom att snabbt lokalisera varje ny transient högenergikälla inom det infraröda teleskopets synfält – till en baslinje på mindre än 10 sekunder – kommer Theseus att kunna karakterisera egenskaperna hos värdgalaxen där GRB inträffade – och viktigast av allt dess distans.

CDF-studien placerade den i en nära ekvatorial låg omloppsbana om jorden för att maximera kontakten med markstationer – vilket gjorde att den snabbt kunde höja varningen för uppföljande observationer på marken. Den skulle kretsa med tillräckligt låg lutning för att minimera strålningsexponeringen från den sydatlantiska anomalien, en kink i jordens skyddande magnetfält.

Spica

Spica är ett gemensamt europeiskt-japanskt projekt som erbjuder betydande förbättringar av fjärrinfraröd spektroskopi och undersökningskapacitet, kan titta genom molnen av damm som vanligtvis skymmer platserna för stjärnfödelse.

Den skulle fungera från den andra jord-sol-lagrangepunkten – 1,5 miljoner kilometer från jorden i motsatt riktning från solen – med ett aktivt kylt teleskop med en diameter på 2,5 m.

CDF-studien inkluderade analys av hur Spica skulle dra nytta av det tekniska arvet från ESA:s Herschel- och Planck-uppdrag samt om de attitydkontrollsystem som behövs för att svänga mellan dess astronomiska mål.

Alternativ gavs också för uppdragets datalagring ombord, kommunikationssystem och marksegment, att återföra sina fynd till marken.

Nästa steg

Alla tre studierna syftade till att minimera användningen av ny teknik och maximera kommersiella hylldelar, för den bästa kombinationen av kostnad och risk. Med genomförbarheten av alla tre uppdragskoncept etablerade, de går nu vidare till parallella industrikontrakt, för att ta fram detaljerade mönster för framtida dunval.