| |||||||||||||
| Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы! |
|
Исследование Солнечной Системы - Карликовые Планеты
| |||||
 Дальний рубеж |
|||||
Карликовые планеты |
|
Карликовые планеты Солнечной системы
Дальний рубеж Dawn исследует Цереру
ЧАСТЬ №1 - ЧАСТЬ №2 Американский межпланетный аппарат Dawn («Рассвет») добрался до своей второй и главной цели - Цереры - и обнаружил интригующие детали поверхности крупнейшего астероида Главного пояса, имеющего номер 1 и статус карликовой планеты. Мы попрощались с «Рассветом» почти три года назад: 5 сентября 2012 г. в 06:26 UTC он покинул сферу действия астероида Веста и вышел на траекторию перелета к Церере. Dawn стартовал 27 сентября 2007 г., и для удобства планирования вся его миссия была разделена на отдельные фазы. После «фазы запуска» осенью 2007 г. началась 80-суточная «фаза контроля и проверки». 17 декабря 2007 г. зонд вступил в «фазу межпланетного перелета». С 3 мая 2011 г. по 4 сентября 2012 г. продолжалась «фаза Весты». И вот в сентябре 2012 г. станция вновь перешла в «фазу межпланетного перелета», которая длилась вплоть до «фазы Цереры», наступившей в декабре 2014 г.
В отличие от большинства космических зондов, летящих по инерции, Dawn большую часть пути между Вестой и Церерой прошел с ускорением - 96% всего времени перелета работал один из трех ионных двигателей. В режиме тяги ксеноновый «выхлоп» направлялся так, чтобы обеспечить необходимую эволюцию орбиты для продвижения к карликовой планете, и главная антенна станции не могла видеть Землю. Это означало, что аппарат должен был периодически разворачиваться, чтобы установить контакт с Сетью дальней космической связи DSN (Deep Space Network), передать телеметрию и получить новые команды от операторов. Однако на «Рассвете» нарушилась работа двух маховиков из четырех - один стал испытывать увеличенное трение в июне 2010 г., а второй в августе 2012 г. Предвидя такое развитие событий, инженеры разработали и в апреле 2011 г. заложили в бортовое ПО алгоритм ориентации с использованием двух маховиков и гидразиновых двигателей. Расход гидразина при этом был выше обычного, и нужно было сокращать количество разворотов аппарата. Работая в окрестностях Весты, Dawn выходил на связь с Землей часто. Он постоянно отправлял данные (в том числе 31000 снимков поверхности астероида и порядка 20 млн спектров) и получал новые инструкции. На отлете от Весты Dawn прекращал разгон раз в неделю и на восемь часов поворачивался своей полутораметровой антенной к Земле. На пути к Церере зонд уже не нуждался в столь частых радиоконтактах с центром управления, поэтому в ноябре развороты стали проводить раз в две недели, а с января 2013 г. - в среднем раз в четыре недели.
Оценки показали, что в таком режиме Dawn сможет дойти до Цереры, сохранив около половины первоначального запаса (45.6 кг) гидразина, и сможет выполнить запланированную 16-месячную программу исследований планеты, даже если откажут все четыре маховика. В реальности из 32.3 кг топлива, остававшегося на момент ухода от Весты, за время перелета было израсходовано только 4.4 кг! Итак, в каждом сеансе команда управления передавала «Рассвету» задание на следующие четыре недели, включающее подробнейший профиль полета (уровни мощности и направление тяги ЭРДУ). Для выполнения необходимых вычислений и составления программы специалистам требовалось примерно три недели из четырех, и только после доскональной проверки информация отправлялась на борт станции. В дополнение к регулярным инструкциям операторы иногда отправляли на борт некоторые специальные директивы. Например, уже весной 2013 г. они ради экономии энергии стали понижать - осторожно, ступеньками по 2° - температуру некоторых компонентов. На момент старта Dawn был рекордсменом среди межпланетных аппаратов NASA по размаху солнечных батарей - 19.7 м. Большая площадь, занимаемая фотоэлементами, была необходима для питания ионного двигателя - увы, снимаемой мощности хватало только на работу одного из трех. Уменьшение количества энергии, отбираемого 140 нагревателями, позволяло направить больше энергии на двигатель и немного увеличить ускорение станции. Именно для этого инженеры начали снижать расход энергии на подогрев. Но каждое выключение нагревателя требовало тщательного анализа. Ведь понижение температуры в одной зоне может затронуть и другие; между тем, например, температуры ксенона и гидразина должны находиться в строго определенных диапазонах. Основная часть аппаратуры на борту (начиная от клапанов и переключателей и заканчивая сложной электроникой) должна строго сохранять тепловой режим, чтобы станция оставалась работоспособной. Негативное влияние частиц
Итак, 5 сентября 2012 г., набрав на высоте 17 200 км относительную скорость 33 м/с, Dawn освободился от притяжения астероида №4 и отправился в путь к астероиду №1. За два следующих года предстояло преодолеть различие между орбитами Весты (наклонение 7.1°, расстояние от Солнца 2.15x2.57 а.е.) и Цереры (10.6°, 2.54x2.99 а.е.), и, разумеется, так, чтобы выйти точно к Церере. Последнее стало возможным благодаря тесному сближению в описываемое время двух малых планет: на момент отлета Церера находилась «всего» в 64 млн км впереди Весты, которая догоняла ее «по внутренней дорожке». Тем не менее баллистика перелета была нетривиальна и не сводилась к простому разгону. В действительности на первом этапе Dawn притормаживал и шел ближе к Солнцу, чем Веста. Лишь к концу июля 2013 г. он вновь сравнялся с нею по расстоянию от Солнца, а позднее, 27 декабря, оказался на равной дистанции между Вестой и Церерой - по 31.3 млн км. До 24 июня 2013 г. аппарат использовал ионный двигатель №3, а после этого - двигатель №2. 11 ноября последний был выключен, и до 9 декабря аппарат летел по инерции: так оказалось выгоднее с точки зрения баллистики. В этот период, 12-13 ноября, как раз и был с успехом опробован режим ориентации на двух маховиках и ЖРД. 9 декабря аппарат продолжил разгон на двигателе №2, а 27 мая 2014 г. вместо него был введен в действие двигатель №1. (Выбор был обусловлен необходимостью равномерного расходования ресурса всех трех источников тяги.) Вплоть до конца августа 2014 г. Dawn работал безупречно, сблизившись с Церерой до 4.8 млн км. Однако 11 сентября, незадолго до запланированной проверки состояния аппарата станцией DSN под Мадридом, Dawn «выпал» в безопасный режим работы и выключил свой ионный двигатель. Проанализировав данные телеметрии, команда «Рассвета» пришла к выводу, что причиной сбоя (как и тремя годами раньше на подлете к Весте) стала энергичная заряженная частица, а возможно, даже две. В 09:27 UTC частица попала в блок бортовой электроники, управляющий работой ионного двигателя, что привело к прекращению работы клапанов подачи ксенона, падению тяги и примерно через час - к решению бортового компьютера об уходе в защитный режим. Второй сбой произошел в системе ориентации и привел к медленному вращению аппарата - около 35° в час. Как следствие, борт инициировал второй защитный режим, более глубокий. Аппарат был вынужден построить ориентацию на Солнце и перейти на малонаправленную антенну. Руководители проекта нашли «окно» в графике работы станции DSN в Голдстоуне и получили разрешение использовать только что введенную в строй австралийскую антенну DSS-35 для парирования нештатной ситуации. Они решили сохранить в силе готовый четырехнедельный план работы, который предполагалось заложить в регулярном сеансе в понедельник 15 сентября. В случае успеха потеря времени тяги ограничивалась четырьмя сутками. Время было дорого: длительное прекращение разгона на заключительном этапе подлета к Церере могло сильно осложнить дальнейшие операции. Поиск и устранение неисправности осложнялись низкой скоростью передачи с борта - всего 16 бит/с - и удаленностью «Рассвета» от Земли, вследствие чего обмен сигналами занимал 53 минуты. Первые двое суток работы не принесли успеха - ни анализ логики программ, ни моделирование на макете не позволяло понять до конца состояние системы ориентации. И тогда руководитель полета и главный инженер проекта Марк Рейман (Marc D. Rayman) принял решение «обнулить» ситуацию, перезагрузив бортовой компьютер - в первый раз после апреля 2011 г. Операторы подготовили и отправили необходимые команды, и 14 сентября в 07:02 компьютер перезагрузился. В тот же день Dawn был возвращен в рабочее состояние, остронаправленную антенну навели на Землю, считали полный набор данных, и к полудню понедельника 15 сентября борт был готов принять новую программу. Параллельно с выходом из нештатной ситуации баллистики миссии пересчитали уровни и направление тяги с учетом случившегося перерыва на оставшуюся часть перелета и на этап спуска на первую орбиту наблюдения RC3. Новый профиль тяги тут же внесли в подготовленную программу. Так как авария началась с блока управления ионным двигателем №1, было решено на всякий случай переключиться на двигатель №2 с другим контроллером и блоком питания. В итоге перерыв тяги составил 95 часов. Дата прибытия к Церере сдвинулась менее чем на сутки, с 5 на 6 марта, но точка захвата получилась на значительно большей дистанции. Поэтому новой датой прибытия на круговую орбиту RC3 вместо 25 марта стало 22 апреля; таким образом, начало научной программы сместилось примерно на месяц. Первые съемки и первые загадки
28 ноября 2014 г. зонд находился на расстоянии всего 1.2 млн км от карликовой планеты и 1 декабря сделал первый снимок на подлете. Размер Цереры на изображении составил всего девять пикселей: разрешение все еще было хуже, чем давал Космический телескоп имени Хаббла с околоземной орбиты. Целью съемки, однако, была калибровка двух камер FC и спектрометра VIR, а для этого источник такого углового размера со звездной величиной -3.6m был в самый раз.
В середине декабря Церера и Dawn прошли за Солнцем, а 26 декабря формально началась подлетная фаза. Исходные данные были такие: расстояние - 640000 км, относительная скорость - примерно 200 м/с. Dawn походил к цели со стороны Солнца, поэтому на первых снимках диск планеты был почти полностью освещен. 13 января 2015 г. зонд прервал на пару часов режим тяги и провел первую оптическую навигационную съемку (OpNav 1) с расстояния 383000 км - примерно как от Земли до Луны. Полный размер диска Цереры составил уже 27 пикселей, разрешение достигло 36 км. 20 последовательных кадров были объединены в видеоролик, демонстрирующий вращение Цереры вокруг своей оси и отдельные контрастные области диска, включая загадочную яркую деталь в северном полушарии.
25 января Dawn провел вторую навигационную съемку с расстояния 237000 км. Диаметр диска карликовой планеты достиг 43 пикселей - на 30% больше, чем обеспечивал «Хаббл». На снимках уже можно было различить крупнейшие кратеры и все то же загадочное белое пятно.
Третью навигационную съемку выполнили 4 февраля с дистанции от 146 000 до 145000 км, захватив часть поверхности, которая в двух первых не попала в кадр. При разрешении 14 км кратеры южного полушария стали видны уже вполне отчетливо, увеличилось и число ярких пятен. «Хозяева» камер FC из германского Института исследований Солнечной системы напомнили, что Церера отражает лишь 9% солнечного света, и сообщили, что светлые пятна ярче фона примерно на 50%. С целью поиска спутников планеты отсняли довольно широкую зону в ее окрестностях, но безрезультатно. 12 и 19 февраля Dawn наблюдал Цереру в рамках специальных кампаний RC1 и RC2 (Rotational Characterisation - описание в процессе вращения) с расстояния 83000 и 46000 км. В обоих случаях съемка продолжалась более девяти часов - это время полного оборота планеты вокруг оси - и позволила увидеть оба полушария Цереры с наилучшим разрешением 4.3 км и построить полную карту поверхности.
«Мы ожидали сюрпризов, но не думали, что будем настолько озадачены», - заявил 12 февраля Кристофер Расселл (Christopher Т. Russell), научный руководитель миссии Dawn. «Самое яркое пятно остается слишком маленьким, чтобы его могла рассмотреть наша камера, - пояснил германский участник научной команды Dawn Андреас Натуэс (Andreas Nathues). - Но уже сейчас можно сказать, что это пятно ярче всего, что есть на Церере». Как выяснилось, «пятно №5» было выявлено еще на снимках «Хаббла», получив предварительное обозначение Region А, а европейская обсерватория Herschel позднее указала на эту зону как на один из двух районов генерации водяного пара на Церере. Второй такой район примерно на 110° западнее получил наименование Piazzi в честь первооткрывателя астероида №1. 19 февраля стало видно, что яркое пятно состоит как минимум из двух, расположенных неподалеку друг от друга в пределах одного ударного бассейна диаметром 92 км. «Это может означать, что появление пятен связано с вулканизмом, - предположил Крис Расселл, но осторожно добавил: - Мы должны дождаться снимков с более высоким разрешением, прежде чем делать такие геологические интерпретации».
25 февраля была проведена четвертая навигационная кампания - 0pNav4. Как и предыдущие, она позволила уточнить траекторию движения Цереры и направление оси вращения планеты. Выяснилось, что северный конец оси направлен в созвездие Дракона, а южный - Летучей Рыбы.
В этот день Dawn находился всего в 39 600 км от Цереры и удалялся от нее со скоростью около 15 м/с. Удалялся? Да, такова была плата за сентябрьский сбой. Первоначальный баллистический план позволял аппарату замедлиться до скорости захвата еще на подходе, опуститься южнее планеты и уже к 25 марта выйти на начальную орбиту CR3. В новой версии Dawn не успел затормозить, «проскочил» свою цель 23 февраля на дистанции около 38500 км и стал медленно уходить от Цереры, чтобы сделать размашистую петлю и вернуться к карликовой планете спустя почти два месяца. Нежный захват
Dawn был захвачен гравитационным полем Цереры 6 марта в 12:39 UTC. «Можно представить себе происходящее в Лаборатории реактивного движения в этот момент, - вдохновенно рассказывал Марк Рейман в своем блоге. - Вся команда в сборе, все страшно взволнованы. Операторы пристально следят за мониторами, тщательно контролируя телеметрию. Удастся ли выйти на орбиту или миссия завершится неудачей? Нервно грызя ногти, они думают о каждом решающем шаге, в то время как двигатель космического аппарата, сжигая топливо и извергая через сопла продукты сгорания, меняет его скорость, обеспечивая выход на орбиту. Когда приходит информация, что выход на орбиту осуществлен успешно, в комнате начинается страшный шум. Люди вскакивают, кричат, ударяют кулаком воздух, обнимаются - и чувствуют огромное облегчение от успешного завершения рискованной и ответственной операции. Легко представить такую картину, верно? Так вот: все было совсем не так. Если бы вы оказались в тот момент в комнате, откуда осуществляется управление зондом Dawn, вы бы обнаружили себя почти в полной темноте. Мониторы компьютеров выключены, комната слабо освещается лишь электронными часами и горящим синим индикатором, показывающим, что ионный двигатель КА продолжает работать. К тому же вы оказались бы в полном одиночестве (по крайней мере, до прибытия парней из службы безопасности JPL). Операторы миссии спокойно спали у себя дома, и я в их числе». Причина такого спокойствия крылась в природе полета с малой тягой. Работая непрерывно месяцы и годы, ионные двигатели способны разогнать космический аппарат значительно сильнее, чем обычные химические двигатели. И действительно, за 7.5 лет полета, из которых 69% двигатели «Рассвета» работали, аппарат заработал приращение скорости около 10.7 км/с (см. таблицу).
Но сейчас, расходуя по 120 граммов ксенона в сутки и выдавая ионным двигателем тягу 0.09 Н, Dawn получал ускорение на уровне всего около 28 мкм/с2, и в масштабах суток-двух оно было почти незаметно. Разумеется, ионный двигатель не был выключен после гравитационного захвата, а продолжил работать, постоянно и плавно изменяя скорость и траекторию аппарата. Впрочем, даже если бы на «Рассвете» произошел сбой и он перешел бы в защищенный режим и отключил двигатель до захвата, это не привело бы ни к чему фатальному. Траектории аппарата и карликовой планеты были уже настолько близки, а их взаимная скорость так мала, что Dawn не улетел бы далеко. Разобравшись в проблеме и вернув аппарат к штатной работе, операторы миссии вывели бы его на орбиту немного позже, чем планировалось, - и все. Именно поэтому вечером б марта они спокойно спали дома в своих кроватях! Нужно добавить, что условия захвата формировались как результат взаимодействия трех тел: земного КА, Цереры и Солнца, и они сложились на удалении 60600 км от Цереры и при относительной скорости 44 м/с. Однако и после этого аппарат продолжал удаляться (постоянно тормозя!) и достиг апоцентра условной орбиты лишь 19 марта на расстоянии 75400 км от Цереры. Команда миссии остроумно назвала эту точку аподеметрием, используя, по аналогии с апогеем, имя греческого аналога римской богини Цереры.
Dawn уходил на теневую сторону, поэтому уже 1 марта во время съемки OpNav 5 с дистанции 49000 км карликовая планета выглядела как довольно узкий серп: освещалось только 23% ее диска. Еще хуже условия были в период со 2 марта по 9 апреля: видимый диск Цереры оказался погруженным в темноту почти полностью, так что Dawn даже не пытался снимать его своими камерами.
Навигационные съемки возобновились 10/11 апреля, когда фаза Цереры достигла 17%. В этот день Dawn заснял с дистанции 33 000 км северную полярную область планеты. Седьмой и последний сеанс навигационной съемки на подлете состоялся 14/15 апреля с расстояния 22 000 км. Разрешение снимков составило 2.1 км, а освещалось 49% диска карликовой планеты. Среди прочего на край видимого диска попало и загадочное двойное пятно №5.
Снимки сложились в карту поверхности
Тем временем 13 апреля специалисты миссии опубликовали новую цветную карту Цереры. Ее составили по снимкам камер FC, сделанных через светофильтры, пропускающие свет с длиной волны 440 нм (синий), 550 нм (зеленый) и 920 нм (ближний ИК), причем с порядком каналов, обратным естественному, поэтому раскраска карты сильно отличалась от того, что увидел бы человеческий глаз.
По словам Криса Рассела, эта карликовая планета не была мертвым телом на протяжении своей истории. «Когда-то она была активной: на ней происходили процессы, приведшие к залеганию разных материалов в разных областях. Мы начинаем видеть это различие на наших цветных снимках», - уточнил ученый. Как и ожидалось, поверхность Цереры усеяна кратерами, но количество крупных ударных бассейнов оказалось меньше, чем предполагали ученые. Картирующий спектрометр видимого и инфракрасного диапазона VIR измерил относительные температуры отдельных деталей на поверхности карликовой планеты. Предварительный анализ данных показал, что различные яркие области ведут себя неодинаково.
Кратер с двойным пятном оказался сходным с окрестностями по температуре: попросту говоря, в тепловом диапазоне он вообще не выделялся! А вот другая яркая деталь на тепловом снимке выглядела более холодной, чем окружающие районы. Автор материала: А. ИЛЬИН,
ЧАСТЬ №1 - ЧАСТЬ №2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|