Из истории науки и техники

Уже этого оказалось достаточно, чтобы созвать в 12:30 в Дармштадте специальную пресс-конференцию. Генеральный директор ЕКА Жан-Жак Дордэн долго говорил о вкладе людей в этот уникальный проект, о совместном успехе, сотрудничестве, долгой и непростой работе, проведенной тысячами инженеров из 19 стран мира, и т.д. Затем директор научных программ ЕКА Дэвид Саусвуд подтвердил факт приема сигнала – и в зале раздались дружные аплодисменты!
Научный руководитель проекта Huygens Жан-Пьер Лебретон объяснил, что по факту приема сигнала можно быть уверенным: зонд вошел в атмосферу и затормозился, его основной парашют раскрылся. В 16:35 UTC началась еще одна прессконференция, на которой все тот же Ж.-Ж.Дордэн торжественно объявил: «Мы – первые посетители Титана!» Он сообщил, что записанные на Cassini научные данные уже принимают на Земле. Наконец, около восьми вечера журналистам были представлены первые три кадра «десантной» камеры DISR из примерно 350 принятых на Земле.
Всего от зонда было получено более 474 Мбит научной информации. Некоторые предварительные результаты были оглашены уже на следующий день, а официально итоги миссии «Гюйгенса» были подведены 21 января на пресс-конференции в штабквартире ЕКА в Париже. Конечно, может показаться странным, что ученые заставили общественность ждать целую неделю. Но ведь помимо обработки и анализа большого объема информации людям попросту был необходим отдых: что называется, поесть и выспаться как следует после непрерывной напряженной работы в течение многих дней. А научные публикации по результатам уникального эксперимента будут готовиться в течение месяцев.

Как правильно садиться на Титан?

Не только циклограмма спуска и посадки «Гюйгенса», но и сама его конструкция была предопределена двумя решениями: вести измерения главным образом на спуске и ретранслировать данные с зонда через орбитальный аппарат. Разработчики решили, что пролетающий в 60000 км над Титаном аппарат Cassini будет отслеживать Huygens своей остронаправленной антенной HGA и записывать информацию на твердотельные запоминающие устройства, а затем передаст данные на Землю. Это значит, что, как только Cassini зайдет за горизонт в месте посадки «Гюйгенса», зонд больше не сможет ничего передать.


Поэтому аппарат проектировали лишь на 153 минуты работы: 150 минут спуска в атмосфере Титана при самых неблагоприятных условиях и всего три (!) минуты на поверхности. Реально заряда пяти аккумуляторных батарей должно было остаться часа на два, но это если зонд сядет на твердую поверхность. Если же Huygens опустится в жидкость, холод «убьет» его намного быстрее…
Момент входа «Гюйгенса» в атмосферу Титана и момент ухода Cassini за горизонт были предопределены условиями разделения аппаратов 25 декабря 2004 г. Основные операции на спуске были «привязаны» ко входу в атмосферу. По последним оценкам, длительность спуска прогнозировалась в 137 мин с допуском ±15 мин и зависела от фактической плотности атмосферы и скорости ветра в ней.


14 января Сатурн и Земля находились на почти минимальном расстоянии друг от друга – 8.0757 а.е., или 1208.1 млн км. Такое расстояние радиосигнал проходил за 67 мин 10 сек, и поэтому нужно аккуратно различать два времени – реального события на борту и приема радиосигнала на Земле. Сделав такое введение, приведем основные расчетные времена и операции, выполняемые при входе зонда в атмосферу Титана и дальнейшем спуске.

Титан – шестое тело Солнечной системы, которого достигли земные аппараты. Помимо Луны, Венеры и Марса в этот список входят Юпитер, в атмосферу которого спустился зонд станции Galileo, и астероид Эрос, на поверхность которого опустился КА NEAR. Титан – единственный в Солнечной системе спутник с плотной атмосферой. Он крупнее, чем планеты Плутон и Меркурий.

В 04:44/05:51 UTC (здесь и далее – бортовое время и время приема сигнала по Гринвичу) на подходе к Титану с помощью программно-временного устройства активируется бортовая электроника «Гюйгенса». В 07:02/08:09 Cassini уходит со связи с Землей и через 12 минут ориентируется антенной HGA на точку входа зонда. В 09:06/10:13 на высоте 1270 км зонд проходит условную границу атмосферы Титана со скоростью 6.1 км/с. Четыре минуты он тормозится в атмосфере, испытывая максимальную перегрузку до 16g, причем температурный пик на лобовом экране достигает 3500°С!
В 09:10/10:17, когда аппаратура зонда зарегистрирует снижение скорости до 400 м/с (все еще в 1.5 раза выше скорости звука), вводится вытяжной парашют диаметром 2.6 м. По расчетам, это должно произойти на высоте 170–190 км. Через 2.5 сек вытяжной парашют отстреливается вместе с хвостовым обтекателем и вводится в действие основной парашют диаметром 8.3 м, а затем сбрасывается лобовой экран. В этот момент включаются на полную мощность передатчики зонда. 30 секундами позже и через 42 сек после начала работы парашютной системы начинает свою работу научная аппаратура «Гюйгенса»: открываются входные отверстия газового хроматографа/масс-спектрометра GCMS и аэрозольного коллектора/пиролизатора ACP, выдвигаются штанги с датчиками прибора для исследования строения атмосферы HASI. Датчики поверхностного комплекса SSP на этом этапе изучают свойства атмосферы, а десантная камера/спектральный радиометр DISR снимает первую панораму поверхности и продолжает получать снимки и спектральные данные во время дальнейшего спуска.


В 09:25/10:32 на высоте 125 км производится отстрел основного парашюта и раскрывается стабилизирующий (тормозной) парашют диаметром 3.03 м. Спуск до поверхности на основном парашюте занял бы слишком много времени.
В 09:42/10:49 на высоте около 60 км включаются два радиовысотомера, и с этого момента непрерывно измеряют расстояние до поверхности. Кроме того, постоянно определяется и скорость вращения зонда (от 1 до 20 об/мин). Теперь аппарат уже не ориентируется на таймер, а строит свою работу по высоте над поверхностью. На высоте 700 м (около 11:22/12:29) включается посадочная фара – с ее помощью ведет свои последние измерения спектральный радиометр. И, наконец, в 11:24/12:31 UTC Huygens опускается на поверхность Титана со скоростью 5–6 м/с.
Работа поверхностного комплекса аппаратуры рассчитана на три минуты, но канал связи через Cassini доступен более двух часов. Лишь в 13:37/14:44 зонд исчезнет из зоны радиовидимости орбитального аппарата; через 10 мин Cassini начнет ориентацию на Землю, а с 14:10/15:17 до 16:50/17:57 передает первую из четырех копий записанных данных. Завершение приема данных зонда – в 21:00/22:07.

Как это было на самом деле

…Около 30 специалистов воссоздавали фактическую траекторию спуска «Гюйгенса» в атмосфере по данным, переданным через Cassini, и по результатам наземных измерений. Отсутствие допплеровских данных с зонда (см. ниже) затруднило эту задачу, но данные наземных радиотелескопов отчасти восполнили пробел. Итак, в 04:41:19/05:48:29 Huygens «пробудился от спячки». Заданную границу высоты 1270 км он пересек в расчетное время, в 09:05:56/10:13:06 UTC. Ввод вытяжного парашюта («нулевой» момент посадочного таймера) состоялся в 09:10:21/10:17:31; через 3 сек прошел ввод основного парашюта, и аппарат замедлил скорость приблизительно до 50 м/с. Передача информации с зонда началась в 09:10:58/10:18:08, на 15 сек раньше расчетного времени.


В 09:25:21/10:32:31 был отстрелен основной парашют и введен стабилизирующий. По мере спуска в более плотные слои атмосферы зонд затормозился до 5.4 м/с и дрейфовал с боковой скоростью до 1.5 м/с. В 11:38:11/12:45:21 зонд Huygens опустился на поверхность Титана в точке 11°с.ш., 192°з.д. Скорость при касании составила 4.5 м/с, ударная перегрузка – 15g. От удара перестал работать один из приборов, но через несколько минут «восстановился».


Сигнал с зонда был потерян в 12:50:24/13:57:34, еще до захода Cassini за горизонт, так как орбитальный аппарат вышел из «радиолуча» передающих антенн «Гюйгенса». Таким образом, Cassini принимал сигналы зонда на спуске 147 мин 13 сек и с поверхности – еще 72 мин 13 сек. На Земле радиосигналы Cassini принимали 17 радиотелескопов США, Японии, Китая и Австралии. По внезапному изменению скорости КА и соответственно частоты сигнала в Грин-Бэнке зарегистрировали перецепку парашютов, а в Парксе – посадку. Этот австралийский радиотелескоп принимал сигналы зонда почти два часа уже после того, как Cassini его потерял, – вплоть до 14:48/15:55, когда Сатурн опустился к самому горизонту. В это время, через 3 час 10 мин после посадки, передатчик «Гюйгенса» все еще работал…

К 16:53/18:00 на Земле было принято содержимое секции B4 бортового запоминающего устройства с основными данными зонда.
Автор: П. ШАРОВ, И. Соболев, НОВОСТИ КОСМОНАВТИКИ

Всего, по данным NASA, в реактор загружены 11 килограммов стержней из диоксида плутония. При подготовке к запуску экологи опасались, что в случае аварии этот материал будет рассеян над территорией нескольких штатов. В свою очередь, эксперты NASA и Министерства энергетики США заявили, что герметичный контейнер с плутонием выдерживает удар о землю или взрыв в воздухе, причем вероятность аварии не больше одной трехсотой. Детальные наблюдения Плутона и его окрестностей начнутся примерно за 5 месяцев до встречи. Эти данные позволят максимально точно скорректировать траекторию движения зонда. За 3 месяца до встречи, начиная с расстояния около 100 млн км, зонд New Horizons начнет картографическую съемку Плутона и Харона. А за месяц до встречи должны начаться ежедневные наблюдения Плутона. К этому моменту ученые надеются точно определить, есть ли у Плутона еще спутники (в 2005 г. у него открыли еще два спутника) и есть ли у него кольца из мелких обломков льда или скальных пород, которые могут представлять опасность для зонда при его пролете мимо Плутона. К этому времени в баке New Horizons должна остаться половина гидразинового топлива и в случае необходимости аппарат без проблем сможет изменить курс.
В момент этого рандеву расстояние между Плутоном и Землей будет таково, что радиосигнал об этом дойдет до Земли почти через 4,5 часа. Для того чтобы отправить на Землю 2-3 самых важных снимка поверхности Плутона, понадобится несколько дней, а для передачи всего комплекта данных о Плутоне, записанных аппаратурой зонда, потребуется 9 месяцев.
Пролетев мимо Плутона, New Horizons отправится дальше. Как было указано выше, для коррекции курса в окрестностях Плутона на зонде будет достаточно топлива, но для выхода на орбиту Плутона этого слишком мало (современные ракеты пока не могут отправлять в дальний космос такие тяжелые аппараты). Предполагается, что на своем дальнейшем пути к границе солнечной системы New Horizons проведет наблюдения и исследования нескольких астероидов из пояса Койпера, но конкретные кандидатуры астероидов будут выбраны позднее. Для этого есть еще масса времени.
Через 53 минуты после старта зонд отделился от третьей ступени и отправился к Юпитеру, чтобы приобретенное там ускорение (гравитационный разгон) позволило ему долететь до Плутона быстрее (в феврале 2007 г. зонд должен совершить маневр в гравитационном поле Юпитера, увеличив таким образом свою скорость и изменив траекторию движения). Через 9 часов после старта он пересек орбиту Луны и отправился на периферию Солнечной системы. Кстати, на борту аппарата находится капсула с прахом открывателя Плутона Клайда Томбо (Clyde Tombaugh). Он открыл Плутон в 1930 году, когда был еще совсем молодым человеком, а умер он в 1997 г. в возрасте 90 лет. Во время запуска зонда New Horizons на космодроме присутствовала его жена Патрисия Томбо, которой сейчас 93 года. New Horizons пролетит мимо Плутона со скоростью 50235 км/ч на расстоянии около 8830 км от этой планеты.
Полная стоимость миссии - 550 млн долларов. Аппарат будет пролетать около Плутона в июле 2015 года, со скоростью 11 км в секунду. К Харону же "Новые Горизонты" приблизится на расстояние в 27000 километров. В течение пролета аппарат должен будет получить изображения с разрешением 25 метров в пиксель, 4 цветные (с использованием основных фильтров) с разрешением 1,6 км/пиксель и изображения выбранных областей.
Конструктивно аппарат представляет собой несимметричную шестиугольную призму из сотовых алюминиевых панелей, опирающуюся на несущий алюминиевый цилиндр, и имеет размеры 0.69х2.11х2.74 м. Его стартовая масса составляет 478 кг, из которых 77 кг приходится на топливо (гидразин) и 30 кг – на полезную нагрузку. Снаружи конструкция «одета» в многослойное легкое теплозащитное покрытие желтого цвета. Большую часть времени аппарат будет согреваться работой собственной аппаратуры, которая выделяет порядка 150 Вт, и внутри него будет поддерживаться температура в пределах 10–30°С. Если автоматическая система мониторинга обнаружит, что выделяемая электроникой мощность ниже необходимой, будут автоматически включаться небольшие нагреватели. Во время полета во внутренней области Солнечной системы для сброса лишнего тепла будут открываться специальные «жалюзи». Теплоизоляция состоит из 18 слоев (дакроновая сетка, алюминизированная майларовая пленка и каптон) и одновременно служит защитой от микрометеоритов.
В состав двигательной установки КА входят топливный бак и 16 двигателей в восьми точках по периметру аппарата. Четыре двигателя для коррекций траектории, а остальные 12 тягой – для ориентации. Двигатели сгруппированы в два комплекта (основной и резервный), по восемь в каждом. Система электроснабжения аппарата состоит из радиоизотопного термоэлектрического генератора (РТГ) типа F-8, вынесенного вбок от корпуса КА, системы распределения питания. РТГ содержит примерно 11 кг двуокиси плутония-238. Он будет обеспечивать станцию мощностью до 240 Вт на начальных этапах полета, а к моменту прибытия к Плутону – около 200 Вт. Аккумуляторные батареи на станции отсутствуют, а излишек мощности, которая не нужна в данный момент, сбрасывается через шунты.
Система связи диапазона X (8/7 ГГц) включает в себя две антенны низкого усиления LGA на противоположных сторонах КА для связи на малых расстояниях от Земли, антенну среднего усиления MGA диаметром 30 см (ширина луча 14°) и остронаправленную антенну HGA диаметром 2.1 м (ширина луча 0.3°), закрепленную на верхней плоскости КА. В систему связи также входит усовершенствованный цифровой приемоответчик для измерения дальности с малой потребляемой мощностью. Кроме того, в систему связи интегрирована аппаратура REX для радиопросвечивания атмосферы. Вся система является резервированной, за исключением остронаправленной антенны HGA. Передача данных из системы Плутона будет вестись со скоростью от 600 до 1200 бит/с на 70-метровые антенны Сети дальней связи NASA, причем для передачи всей научной информации по Плутону и Харону потребуется около 9 месяцев.
Основой системы команд и обработки данных является бортовой компьютер с радиационно-стойким процессором Mongoose V с частотой 12 МГц. Для хранения данных используются два твердотельных запоминающих устройства (одно в резерве) емкостью по 64 Гбит. Бортовой компьютер, запоминающие устройства, преобразователи мощности, процессор управления и навигации, следящая электроника, а также различные интерфейсы, служащие для связи между процессорами и научными инструментами, входят в состав двух интегрированных модулей электроники IEM (основного и резервного). Определение текущей ориентации КА в пространстве осуществляется с помощью двух звездных датчиков, цифровых солнечных датчиков (в резерве), акселерометров и гироскопов, которые входят в состав основного и резервного инерциальных измерительных блоков IMU.
В память звездных датчиков заложена звездная карта из 3000 звезд. Принцип работы заключается в следующем: 10 раз в секунду датчик делает широкоугольный снимок звездного неба, сравнивает его с картой в памяти и определяет ориентацию аппарата в пространстве. Блок IMU обновляет информацию о движении станции с частотой 100 раз в секунду. На борту КА установлена капсула с частью праха астронома Клайда Томбо, первооткрывателя Плутона. За разработку, изготовление КА и управление полетом отвечает Лаборатория прикладной физики (APL) Университета Джона Гопкинса (Мэриленд, США). На борту станции находятся семь научных приборов.

Научная аппаратура КА "New Horizons"

Видовой УФ-спектрометр Alice предназначен для изучения структуры и состава атмосферы Плутона. Прибор состоит из компактного телескопа, спектрографа и чувствительного электронного детектора с 32 пространственными и 1024 спектральными каналами в диапазоне от 500 до 1800 А°. В режиме «свечения атмосферы» регистрируется УФ-излучение от частиц в ее составе. В режиме «затмения» Солнце наблюдается через атмосферу Плутона, что позволяет определить ее состав по спектру поглощения. Масса прибора составляет 4.5 кг. Спектрометр разработан в Юго-Западном исследовательском институте (SwRI). Научным руководителем по прибору, как и по проекту в целом, является Алан Стерн. Прибор Alice должен обнаружить в атмосфере Плутона ряд атомных и молекулярных соединений и определить их концентрацию. Он же займется поиском ионосферы у Плутона и атмосферы у его спутника Харона. Кроме этого, будут составлены вертикальные профили температуры и плотности в атмосфере Плутона.
Камера/спектрометр видимого и ИК-диапазона Ralph служит для изучения геологии и морфологии поверхности Плутона и Харона, а также для составления температурных карт и определения структурного состава поверхности. В состав инструмента входит телескоп, мультиспектральная камера видимого диапазона MVIC с семью ПЗС-матрицами и картирующий композиционный ИК-спектрометр, который получил название LEISA (Linear Etalon Imaging Spectral Array – Линейная эталонная видовая спектральная матрица). LEISA работает в диапазоне 1.25–2.50 мкм, MVIC – в диапазоне 0.4–0.95 мкм с тремя панхроматическими (черно-белыми) детекторами и четырьмя цветными. Масса прибора – 10.3 кг. Разработан он Юго-Западным исследовательским институтом, Центром космических полетов имени Годдарда (спектрометр LEISA) и фирмой Ball Aerospace Corp. Научный руководитель – Алан Стерн. Ralph будет производить съемку два раза в сутки при подлете и на отлете. При сближении с Плутоном камера MVIC будет получать черно-белые и цветные снимки поверхности с высоким разрешением (250 м), снимки ночной стороны Плутона в свете Харона, а также стереоизображения для изучения топографии. Это поможет ученым уточнить радиусы Плутона и Харона и параметры их орбит. Научными задачами для камеры MVIC также являются поиск тумана и облаков в атмосфере Плутона, поиск его новых спутников и новых колец.
Новые Горизонты" - миссия предназначенная для облета Плутона и его спутника Харона, для трансляции на Землю изображений. После чего аппарат продолжит свое путешествие к Поясу Койпера (полет к Поясу Койпера займет еще 5-10 лет), где он должен будет исследовать объекты пояса. Первичные цели миссии - это получение глобальной геологической карты планеты и ее спутника (детали рельефа и т.д.) и характеристики атмосферы Плутона. Другие цели миссии включают в себя изучение изменчивости поверхности и атмосферы Плутона, нанесение на карту областей Плутона и Харона с высоким разрешением; изучение верхней атмосферы планеты, ионосферы, окружающего пространства; аппарат также предназначен для поиска возможной атмосферы Харона и для получения характеристик нескольких объектов Пояса Койпера. Окончание миссии планируется в 2026 году. Для полета к Плутону также некоторое время рассматривалась миссия "Pluto Kuiper Express" старт, которой намечался на январь 2010 года, но она была "отбракована".
"Новые Горизонты" - миссия предназначенная для облета Плутона и его спутника Харона, для трансляции на Землю изображений. После чего аппарат продолжит свое путешествие к Поясу Койпера (полет к Поясу Койпера займет еще 5-10 лет), где он должен будет исследовать объекты пояса. Первичные цели миссии - это получение глобальной геологической карты планеты и ее спутника (детали рельефа и т.д.) и характеристики атмосферы Плутона. Другие цели миссии включают в себя изучение изменчивости поверхности и атмосферы Плутона, нанесение на карту областей Плутона и Харона с высоким разрешением; изучение верхней атмосферы планеты, ионосферы, окружающего пространства; аппарат также предназначен для поиска возможной атмосферы Харона и для получения характеристик нескольких объектов Пояса Койпера. Окончание миссии планируется в 2026 году. Для полета к Плутону также некоторое время рассматривалась миссия "Pluto Kuiper Express" старт, которой намечался на январь 2010 года, но она была "отбракована".