Миссия Dawn: космическая станция впервые достигла Цереры. Жизнь на гидразине

Исследовательский космический аппарат Dawn, выйдя на орбиту вокруг Цереры, достиг очередной вехи в выполнении его миссии по изучению космического пространства. Согласно информации, предоставленной американским космическим агентством НАСА, аппарат вышел на круговую орбиту в пятницу, 6 марта 2015 года в 12:39 по времени Гринвичского меридиана и в настоящее время находится на орбите на высоте около 61 тысячи километров от поверхности карликовой планеты. Данное событие делает космический аппарат Dawn первым в истории аппаратом, побывавшим возле карликовой планеты и первым аппаратом, которому удалось побывать на орбитах вокруг двух космических тел.Сигнал, подтверждающий выход аппарата Dawn на орбиту Цереры был получен приемниками сети дальней космической связи NASA Deep Space Network в 13:36 по Гринвичу. Это объясняется тем, что Церера и аппарат Dawn находятся на удалении 3.33 астрономических единиц (498 миллионов километров) от Земли, и радиосигналу требуется около 55 минут для того, чтобы дважды преодолеть это расстояние.То, что сделало возможным выполнение сложной мисси аппарата Dawn - это его ионный двигатель, который для вырабатывания силы тяги использует электрическую энергию, а не энергию сгорающего топлива. Из сопла двигателя вырывается поток электрически заряженных ионов ксенона, разогнанных до огромной скорости, благодаря чему ионный двигатель минимум в 10 раз более эффективен, нежели любой другой реактивный двигатель. Единственным недостатком ионного двигателя является малое значение вырабатываемой силы тяги, которая приблизительно равна весу одного листа бумаги. Но ионный двигатель может работать непрерывно в течение многих месяце и даже лет, плавно и постепенно разгоняя за это время космический аппарат до чрезвычайно высоких скоростей.

Результатом малого значения силы тяги двигателя подход аппарата Dawn к Церере был долгим и неторопливым, а сам процесс напоминал процесс сплава стволов спиленных деревьев по реке с очень медленным течением. Такой процесс потребовал очень точного исполнения, ведь любая из ошибок могла привести к тому, что аппарату Dawn пришлось бы провести очень медленную и длительную коррекцию курса и вернуться назад, произведя повторную попытку выхода на заданную орбиту. Напомним нашим читателям, что космический исследовательский аппарат Dawn был запущен в космос 27 сентября 2007 года. После пролета мимо Марса 4 февраля 2009 года и разогнавшись за счет сил его гравитации, аппарат Dawn сблизился и 16 июня 2011 года занял орбиту вокруг протопланеты под названием Веста. Там аппарат находился 14 месяцев, проводя различные научные исследования и съемку, после чего снова включил свой ионный двигатели и отправился в полет к Церере, который длился три с половиной года.Представители НАСА сообщают, что аппарат Dawn будет находиться на орбите Цереры очень долгое время. За последующие несколько месяцев аппарат будет постепенно приближаться к поверхности карликовой планеты, делая все более подробные снимки поверхности, выясняя природу происхождения светлых пятен, изучая особенности геологического строения и выискивая другие следы любой геологической активности.

Малые планеты и астероиды – источники ценной для ученых информации о ранних стадиях образования планетарных систем.

Ввиду малых размеров наблюдать их с помощью телескопов и другой наземной аппаратуры крайне тяжело. Даже выведенный на орбиту телескоп «Хаббл» недостаточно информативен для их изучения. Только находясь в непосредственной близости от этих тел, можно провести нужные исследования и затем передать результаты на Землю. Именно такая задача возложена на космический аппарат Dawn с временным ориентиром завершения работ – июль 2015 года.

Ракета-носитель

Для запуска исследовательского зонда использовалась ракета-носитель Delta II, являющаяся аналогом российского «Союз-У». Эта модификация разработана в 1989 году американской компанией «МакДоннел Дуглас» и относится к среднему классу носителей.

Получила активное применение после закрытия программы по использованию «Спейс Шаттл». Монополизация космического рынка США такими гигантами как Boeing и Lockheed Martin, привела к тому, что сейчас производством этих ракет (как и Atlas V) занимается их совместная коммерческая структура – United Launch Alliance.

Задачи экспедиции

Миссия аппарата Dawn – достичь астероида Веста и карликовой планеты Церера, которые располагаются в поясе астероидов, обращающемся вокруг Солнца между орбитами Марса и Юпитера. Имеющаяся на борту аппаратура позволяет собрать необходимые ученым данные и передать их на Землю. Эти два объекта в некотором смысле являются антиподами и именно поэтому выбраны в качестве объектов исследования. Считается, что поверхность Цереры покрыта толстым слоем льда (до 100 км), а Веста представляет собой базальтовый метеорит.

Основные характеристики станции

Межпланетная станция имеет форму близкую к параллелепипеду с максимальным и минимальным габаритными размерами 1,77 м и 1,27 м соответственно. Антенна, установленная на одной из граней, имеет диаметр 1,52 м. Масса летательного аппарата (с топливом) – 1217.7 кг. Двигательная установка состоит из 12 двигателей коррекции (тягой 0,9 Н), работающих на гидразине, и трех электрореактивных двигателей. Последние имеют регулируемый диапазон тяги 19–92 мН и суммарную продолжительность работы более 50 тысяч часов. Энергообеспечение станции осуществляется двумя внешними солнечными батареями и одной бортовой – никель-водородной.

Галерея снимков Цереры переданных зондом Dawn

Система управления

Система управления космического аппарата основана на трех стойких к радиации одноплатных процессорах RAD6000, обладающих памятью в 8 Гбит. По сути, они дублируют работу друг друга, создавая повышенную надежность системы в целом. Для связи с центром управления станция оборудована четырьмя антеннами: одной остронаправленной и тремя обычными. Мощность, потребляемая бортовым передатчиком, составляет 100 Вт, а скорость передачи информации на Землю варьируется в диапазоне от 41 до 128 кбит/с.

Бортовое оборудование

Космический аппарат оснащен тремя основными комплексами научной аппаратуры, предназначенными для изучения малых планет. В первый входят две дублирующие друг друга кадровые камеры Framing Camera, изготовленные в Германии. Они оснащены цветными фильтрами, работающими в видимом и инфракрасном диапазоне. Второй тип оборудования – детектор гамма лучей и нейтронного излучения, включающий в себя 21 датчик, которые должны помочь определить химический состав небесных тел. И третий – спектрометр, работающий в видимом и инфракрасном диапазоне и предназначенный для минералогических исследований.

Хронология событий

В 2007 году, 17 декабря межпланетная станция отправилась в космическое путешествие. Ключевыми событиями на первом этапе стали: гравитационный маневр для набора скорости в районе Марса в декабре 2009 года и прилет в зону астероида Веста в августе 2011.

Геологическая карта Весты, составленная по данным зонда Dawn

Полный календарный год был отведен на проведение исследований этого небесного тела. Первоначально планировалось задержаться там на три месяца меньше, но из-за необходимости более подробного изучения участка, скрытого в тени, экспедиция задержалась.

Аппарат Dawn сочетает передовые технологии, уже примененные в других миссиях, стандартные элементы, а также запасные части и приборы, оставшиеся от предыдущих миссий. Большинство систем космического аппарата имеет резервирование, это означает, что если основные системы столкнутся с проблемами, будут задействованы дублирующие. Автоматизированная бортовая система защиты от неисправностей определит любое необычное состояние и [при необходимости] попытается перейти на дублирующую систему. При сложенных солнечных батареях аппарат имеет ширину 2,36 м, с расправленными солнечными батареями – 19,7 м.

Конструкция. Основой конструкции космического аппарата Dawn является цилиндр из графитового композита. Внутри цилиндра установлены баки с ксеноном для ионных двигателей и с гидразином для обычных двигателей малой тяги. Цилиндр окружен панелями на алюминиевой основе, облицованными алюминием, большая часть другого оборудования смонтирована на этих панелях. Все панели аппарата облицованы композитным материалом или алюминием и имеют алюминиевую основу. Тепловые экраны, поверхностные радиаторы, покрытия и нагреватели контролируют температурный режим аппарата.

Ролик Лаборатории реактивного движения [НАСА] о миссии Dawn

Управление ориентацией. Система управления ориентацией отвечает за определение ориентации корабля в пространстве и осуществляет контроль над поддержанием или изменением ориентации аппарата. Аппаратура системы содержит два астроориентатора, три двухосевых инерциальных блока, 16-ть солнечных датчиков и четыре блока маховиков. Эта система управляет шарнирным механизмом, поддерживающим направление солнечных батарей на Солнце. Кроме того, она контролирует поворот в карданном подвесе ионных двигателей в двух осях. Обычно [штатно] система определяет ориентацию космического аппарата, используя астроориентатор для наблюдения за известными звездами.

Ориентация аппарата обычно [штатно] контролируется маховиками, которые по устройству подобны обычным гироскопам, использующим момент инерции вращающейся массы для поддержания или изменения ориентации аппарата. Кроме того, ориентация может поддерживаться или изменяться набором из 12-ти двигателей [на гидразине, тягой в 0,9 Н], образующих реактивную систему управления. Выступая главным образом в качестве резерва для маховиков, сразу после запуска космического аппарата двигатели системы ориентации были использованы для прекращения вращения аппарата и направления солнечных батарей на Солнце.

Ионная двигательная установка обеспечивает Dawn тягой, необходимой для достижения целевых астероидов. Требуемая программа полета была бы невозможна без применения ионных двигателей, даже миссия к одной Весте [без полета к Церере] потребовала бы много большего космического аппарата и значительно большей ракеты-носителя. Ионный двигатель был опробован в миссии НАСА Deep Space 1, где во время путешествия к астероиду и комете были испытаны еще 11 технологий.

Каждый из трех ионных двигателей, имеющих диаметр 30-ть сантиметров, подвижны в двух осях, что позволяет учесть перемещение центра масс аппарата в течение миссии. Это также позволяет системе управления ориентацией использовать ионные двигатели для помощи в управлении ориентацией аппарата.

Каждый из трех ионных двигателей обладает достаточным сроком службы, чтобы завершить миссию и еще иметь достаточный ресурс. Несмотря на это, в любой момент времени работает только один двигатель. Ионные двигатели Dawn работают непрерывно годами, отключаясь лишь на несколько часов каждую неделю для поворота антенн на Землю. Общее время тяги во время миссии составит около 2000 дней, что значительно превышает 687 дней работы ионных двигателей зонда Deep Space 1.

В ионных двигателях аппарата происходит ионизация рабочего тела [ксенона], далее образовавшиеся ионы ускоряются электростатическим полем до скоростей в десять раз превышающих [скорости истечения рабочего тела] химических двигателей. Регулировка уровня подачи рабочего тела и электрического [поля] позволяет управлять [тягой] двигателей. Двигатели экономны в расходе ксенона, используя при максимальной тяге лишь около 3,25 мг/с. Космический аппарат Dawn несет 425 кг ксенона.

Максимальная тяга каждого двигателя 91 мН, для сравнения, вес листа бумаги формата A4 составляет около 50 мН. Это может показаться очень маленькой величиной, но общее изменение скорости под действием ионных двигателей сопоставимо с действием ракеты-носителя Delta II, что вывела аппарат Dawn в космос в 2007 году, потому что ионная двигательная установка будет работать тысячи дней, а Delta II - минуты.

Питание. Система электропитания обеспечивает энергией все бортовые системы, в том числе ионную двигательную установку, требующую во время работы значительную электрическую мощность, которая должна быть обеспечена даже на орбите вокруг Цереры. Эта карликовая планета расположена в три раза дальше от Солнца, чем Земля, поэтому плотность потока солнечного излучения в ее окрестностях в девять раз ниже.

Каждая из двух солнечных батарей имеет длину 8,3 м и ширину 2,3 м. Передняя сторона каждой батареи покрыта 5740 отдельными фотоэлементами и имеет площадь в 18 м 2 . Элементы преобразуют в электричество около 28% падающей на них солнечной энергии. На Земле эти две батареи вместе могли бы генерировать более 10 кВт. Батареи установлены на противоположных сторонах космического аппарата на шарнирном соединении, что позволяет поворачивать их под любым углом для направления на Солнце.

Никель-водородный аккумулятор и связанная с ним заряжающая электроника обеспечивает питание во время запуска и в моменты, когда солнечные батареи не направлены на Солнце.

Компьютер. Система обработки команд и данных аппарата Dawn обеспечивает общий контроль над кораблем и управляет потоком технических и научных данных. Система имеет резервирование и основана на радиационно-стойких одноплатных компьютерах RAD6000, каждый из которых имеет по 8 Гбит памяти.

Научные инструменты

Для получения научных данных с Весты и Цереры Dawn несет три системы инструментов. Кроме того, эксперимент по измерению гравитационного [поля] будет выполнен при использовании космического аппарата и наземных систем.

Кадровый фотоаппарат разработан для получения в научных целях детальных оптических изображений, а также для навигации в окрестностях Весты и Цереры. Dawn несет две идентичные и в целях резервирования абсолютно независимые друг от друга камеры, каждая из них имеет свою собственную оптику, электронику и конструкцию. Каждая камера оснащена рефракционной оптической системой с фокальным отношением f/7,9 и фокусным расстоянием в 150 мм и может использовать 7 цветных фильтров, что будет полезно при изучении минералов на поверхности Весты. Кроме того, камеры способны регистрировать ближний инфракрасный диапазон электромагнитного спектра. Каждая камера имеет внутреннее хранилище данных на 8 Гбит. Конструированием и производством камер занимался Институт исследований Солнечной системы общества Макса Планка [Германия] в сотрудничестве с Институтом планетных исследований Германского аэрокосмического центра и Техническим университетом Брауншвейга .

Элементный состав Весты и Цереры будет исследован Детектором гамма и нейтронного излучения . Этот инструмент использует 21 датчик с очень широким полем обзора для измерения энергии гамма-лучей и нейтронов, отраженных или испущенных небесным телом. GRaND проведет картографирование содержания основных породообразующих элементов, долгоживущих радиоактивных элементов, а также летучих, в том числе водорода, углерода, азота и кислорода, являющихся основными компонентами льдов [которые лежат на глубине до одного метра]. В отличие от остальных инструментов аппарата Dawn GRaND не имеет внутреннего хранилища данных. Инструмент разработан Лос-Аламосской национальной лабораторией [США].

Минералогия поверхностей Весты и Цереры будет исследована Картографирующим спектрометром видимого и инфракрасного диапазона . Инструмент является модификацией спектрометров, полетевших в миссиях Европейского космического агентства [ЕКА] Rosetta и Venus Express. Кроме того, прибор несет наследие картографирующего спектрометра видимого и инфракрасного диапазона космического аппарата Cassini [НАСА]. Инструмент регистрирует интенсивность света каждого пикселя всех изображений в более 400-ах диапазонах длин волн. Сравнение данных наблюдений с лабораторными измерениями для аналогичных минералов позволит определить минералы, находящиеся на поверхности Весты и Цереры. Прибор имеет 6 Гбит внутренней памяти, которая может работать в режиме хранилища данных на 3 Гбит с резервированием. Спектрометр был предоставлен Итальянским космическим агентством, он спроектирован и построен Galileo Avionica в сотрудничестве с Национальным институтом астрофизики Италии.

Отслеживая сигнал радиопередатчика аппарата Dawn наземными антеннами, исследователи смогут определить едва различимые изменения гравитационных полей Весты и Цереры, указывающие на распределение массы внутри этих небесных тел, их внутреннюю структуру.

Научные цели

Основная цель миссии Dawn состоит в исследовании астероида 4 Веста и карликовой планеты 1 Церера одним и тем же набором инструментов одного космического аппарата. Глубокий анализ и сравнение этих двух небесных тел даст представление об их происхождении и эволюции, а значит лучшее понимание действовавших на них с момента образования условий и процессов.

Во время орбитальных исследований Весты и Цереры Dawn будет изучать внутреннюю структуру, плотность и однородность путем измерения их массы, формы, объема и состояние вращения, а также определит элементный и минеральный состав. По этой информации ученые смогут определить связь между метеоритами и их родоначальными объектами, а также термальную историю объектов. Изображения поверхности откроют историю бомбардировки, тектоники и, возможно, вулканической активности.

Космический аппарат Dawn («Рассвет») — автоматическая межпланетная станция, запущенная в космоc НАСА 27 сентября 2007 года для исследования астероида Весты и карликовой планеты Цереры. Программа предусматривает достижение Весты в 2011 году, Цереры — в 2015 году. В отличие от предыдущих АМС, исследовавших более одного небесного тела, «Dawn» не просто пролетит мимо Весты — промежуточной точки назначения — но выйдет на орбиту вокруг Весты, и после более чем полугода на её орбите продолжит дальнейший полёт к Церере.

История запуска

«Dawn», девятая миссия в рамках программы Discovery (англ.)русск., была принята НАСА в ноябре 2002 года. Название АМС не связано с какой-то конкретной личностью, а является простым образом, характеризующим основную цель: получение информации, которая поможет лучше изучить ранние этапы формирования Солнечной системы.

Миссия как минимум трижды замораживалась или вовсе отменялась (2003, 2005, 2006). Однако после последнего публичного заявления об отказе от полёта к Церере в марте 2006 года это решение было официально отменено, и 27 марта 2006 года «Dawn» получил добро на запуск. В сентябре 2006 года АМС уже была в состоянии готовности к запуску. 10 апреля 2007 года спутник доставили в монтажный цех подрядчика по запуску, SPACEHAB, Inc во Флориде. Запуск изначально был запланирован на 20 июня, но затем откладывался до 30 июня и 15 июля. В июле запуск был отложен до осени — чтобы избежать наложения во времени пуска и первых фаз полёта «Dawn» и АМС Феникс (пуск которой состоялся 4 августа 2007 года).

26 сентября 2007 года ракета-носитель Дельта-2 с АМС на борту была готова к пуску на стартовом комплексе 17-В космодрома на мысе Канаверал. Из-за погодных условий и последующего появления корабля-нарушителя в запретной зоне запуска старт состоялся только утром 27 сентября. После почти трёх месяцев испытаний бортовых систем на земной орбите, 17 декабря 2007 года «Dawn» отправился в перелёт к Весте.

Целями полёта Веста и Церера избраны потому, что представляют собой противоположные типы больших астероидов: Цереру покрывает ледяной слой толщиной до 100 км, а Веста — монолитный безводный ахондрит. При этом Веста — основной «поставщик» метеоритов, достигающих поверхности Земли.

План полёта

План полёта, рассчитанный на 8 земных лет, предусматривает расходящуюся спиральную траекторию, описывающую три оборота вокруг Солнца:

• В феврале 2009 года «Dawn» прошёл мимо Марса, ускорившись вследствие гравитационного манёвра с выходом из плоскости эклиптики
• 3 мая 2011 года — зонд сделал первую фотографию Весты с расстояния около 1,21 миллиона километров
• 16 июля 2011 года, совершив почти два оборота вокруг Солнца, «Dawn» достиг Весты и перешел на её круговую орбиту (выполнено)
• В апреле 2012 года «Dawn» покинет Весту и отправится в полёт до Цереры
• В феврале 2015 года «Dawn» достигнет Цереры и проработает на её орбите до июля 2015 года.

Ионный двигатель

Космический аппарат оборудован тремя ксеноновыми ионными двигателями, разработанными на основе образца, испытанного на зонде Deep Space 1. Каждый двигатель имеет тягу 30 мН и удельный импульс 3100 с; одновременно возможна работа одного двигателя. Из 425 кг рабочего тела (ксенона), имеющегося на борту, на полёт Земля-Веста будет израсходовано 275 кг, на полёт Веста-Церера — 110 кг. При нормальной работе ионные двигатели «Dawn» обеспечивают прирост в скорости на 97 км/ч (60 миль/ч) за каждые 4 дня.

Исследовательские инструменты

Отдельно размещенные две черно-белые ПЗС-матрицы (1024 х 1024 пикселя) с двумя объективами (D = 19 мм, F = 150 мм), каждая ПЗС-камера с набором из 7 узкополосных цветных фильтров + пустое поле; поле зрения у каждой камеры 5.5 х 5.5 градусов; выдержки от 0.001 сек до 3.5 часов.

Исследования

• 16 июля 2011 года в 1:00 (EDT) «Dawn» вошел в орбиту Весты на высоте 16000 км.
• 17 июля 2011 года «Dawn» сделал первое изображение Весты с ее орбиты.