Записки дилетанта: Космічний апарат Dawn

понеділок, 20 червня 2011 р.

Космічний апарат Dawn

"Dawn", "Світанок" -- автоматичний (безпілотний) космічний апарат для дослідження астероїдів. Найближча його ціль, до якої залишилося ще зоооовсім трішки -- Веста. Основне завдання -- вивчення відбитки ранніх періодів існування Сонячної системи, що мали б зберегтися на астероїдах.

Познайомимося коротко з цим апаратом та його місією (експедиції в НАСА часто називають місіями). Детально про його будову, політ, керування та наукову апаратуру можна почитати тут, однак виключно англійською. Крім того автор, хоча і приємна людина та хороший науковець, дуже багатослівний. Також любить часто вставляти не надто, як на мене, вишукані жарти. Тому навіть мого фанатизму не вистачило щоб читати не по діагоналі, абзац через три.

Об'єктами дослідження "Dawn" є два наймасивніших тіла поясу астероїдів -- карликова планета Церера та астероїд Веста. При чому, як виглядає, ці космічні тіла мають зовсім різну історію. Унікальним для нього є те, що користуючись іонними двигунами, він спочатку вийде на орбіту Вести, проведе там близько року активно досліджуючи її, (15 місяців разом з періодом наближення, що вже триває, та періодом відльоту), після чого відправиться до Церери.

Чому іонні двигуни такі унікальні? Справа в тому, що у космосі немає на що обпертися. Тому "набути руху" можна лише користуючись законом збереження імпульсу. Викидаючи частину себе, так зване робоче тіло, за рахунок віддачі ракета збільшує свою швидкість в протилежному напрямку. Найпоширеніші космічні двигуни для цього використовують горіння. Паливо та окислювач (нагадаємо, повітря для горіння в космосі немає) спалюються у спеціальній камері, а продукти їх горіння з великою швидкістю вилітають через сопла. Зрозуміло, що чим швидше рухається та сама маса продуктів згоряння, тим більший імпульс вона зможе передати ракеті, тим швидше ракета рухатиметься. (Уявіть, що на вас налітає кілограм піску або й просто вітер на швидкості пішохода чи на швидкості автомобіля. В якому випадку шанси встояти на місці більші? ;-) Див. також "питомий імпульс".) Ну, чи повільніше, якщо наша задача сповільнитися а не розігнатися.

Однак продукти горіння на практиці не розвивають швидкість, більшу за 4.5 км/сек. А чим більшої швидкості ракети потрібно досягнути, тим більше треба палива брати, але це паливо теж треба тягнути із собою, тому треба більшу масу розганяти, більше палива брати і так по замкнутому колу. (Детальніше див. рівняння Мещерського та формулу Ціолковського). Іонні двигуни працюють трішки по іншому. В них нічого не горить, а робоче тіло (використовується аргон, ксенон, цезій, тощо), іонізується та розганяються електромагнітним полем. При цьому вдається досягнути швидкостей витікання робочого тіла 30 км/сек і більше. Такі двигуни багато ефективніше використовують робоче тіло ніж ті, що спалюють різні речовини. Є у них і свій недолік. За сучасного розвитку техніки їх питома тяга, сила що вони можуть прикласти до космічного апарату, мізерна -- десяті долі ньютона (сила, потрібна щоб на Землі підняти декілька грам). Ех, ядерний реактор б туди... Тому зараз використовується гібридна схема -- для виводу на орбіту, та в ті моменти, коли швидкість корабля потрібно змінити швидко, використовують хімічні реактивні двигуни. Коли ж потреби у великих зусиллях немає, але хочеться потрапити туди, куди хімічним двигунам сили не вистачить, використовують іонні, які, економно витрачаючи робоче тіло, можуть працювати роками.

Повертаючись до "Dawn", графік місії такий:

27 вересня 2007 - запуск. Ракета розігнала апарат до швидкості 11.46 км/секунду по відношенню до Землі.
17 лютого 2009 - проліт біля Марса, гравітаційний маневр.
Середина липня 2011 - прибуття до Вести. Дата залежить від точних властивостей астероїда, які поки невідомі. Ще один бонус іонних двигунів, до речі -- можливість багато що уточнювати по ходу польоту.
Приблизно липень 2012 - відбуття з орбіти навколо Вести. Точна дата визначатиметься різними обставинами, в тому числі тим, чи не буде потрібно ще трішечки часу на додаткові виміри :-)
Лютий 2015 - Прибуття до Церери.
Липень 2015 - завершення основної програми.
Можливим, хоча і не дуже ймовірним є також розширення програми.

В уявленні художника, "Dawn" на фоні космосу виглядає якось так:

Малюнок "Dawn", NASA, public domain.

Деякі його характеристики:

Розмах "крил" -- сонячних батарей: 19.7 метрів.
Маса зразу після запуску - 1.250 кг (число слід уточнити).
Вузьконаправлена антена одна, фіксована відносно корпуса. Її діаметр 1.5м. Три малонаправлених антени, два радіомаячка-транспондера. Два передавача потужністю 100 ват кожен.
Сонячні батареї генерують 10 кіловат на тій же віддалі від Сонця що і Земля, 1 кіловат на найбільшій віддалі Церери від Сонця.
Система орієнтації на базі гідразинових двигунів, що можуть розвивати зусилля 0.9Н.
Іонні двигуни можуть розвивати зусилля 0.09Н. В будь-який момент часу працює лише один (хоча, для калібрування їх можуть вмикати і парами) На поверхні Землі така сила потрібна щоб підняти 9 грам. Працюють на ксеноні. Швидкість витікання 35 км/с. Маса робочого тіла - близько 425 кг, максимальна витрата в день 0.25 кг. При цьому зміна швидкості буде 10 м/с. З цього запасу 275 кг призначено для досягнення Вести і ще 110 -- Церери.
Іонні двигуни пропрацювали вже більше двох з половиною років, 70% часу польоту, поступово "розкручуючи" орбіту апарата навколо Сонця. Станом на 30 травня 2011 вони змінили його швидкість більше ніж на 6.5 км/сек (порівняйте із швидкістю, яку надала йому величезна ракета - 11км/сек!). Загальний запас зміни швидкості - більше 10 км/секунду.
Гравітаційни маневр в околицях Марса надав еквіваленту зміну швидкості в 2.6 км/сек (частина цієї зміни пішла на вихід з площини екліптики, адже орбіта Вести нахилена на 7 градусів, решта -- на збільшення енергії відносно Сонця).
Подорож віж Землі до Вести -- 3.5 мільярдів кілометрів, від Вести до Церери -- ще 1.6 мільярдів кілометрів.
Станом на 27 травня 2011 Dawn був на віддалі 580 тисяч кілометрів від Вести та 1.64 астрономічних одиниці від Землі. Світлу потрібно 28 хвилин щоб від злітати туди і назад. Станом на 8 червня до Вести залишається 350 тисяч кілометрів, швидкість наближення 190 м/с.
На борту знаходиться мікрочіп із прізвищами більше ніж 360 тисяч ентузіастів дослідження космосу.

Наукова апаратура:

Framing camera (http://e2u.org.ua пропонує переклад "кадрова камера"). Ширококутна, f/7.9 рефрактор, фокусна віддаль 150 мм, CDD-матриця, 1024 × 1024 пікселів. 8 світлофільтрів, "чистий" фільтр пропускає світло від 450 до 920 нм. Кутова роздільна здатність - 94 мікрорадіани. Апертура -- 20мм, поле зору 5.5° x 5.5°. (Згідно цього постера). Згідно слів Pablo Gutierrez-Marques, менеджера камери, для одного фото потрібно 5 секунд + час на витримку. В пакетному режимі, коли кілька фото здійснюється однією командою, на одне фото йде приблизно 3.5 секунди. Типова витримка від 10 мілісекунд для прозорого фільтра до 150-1200 мілісекунд для кольорових. Використовується як наукова та навігаційна камера. Через велику її важливість присутня в двох екземплярах -- повне дублювання.Про фільтри див. також внизу.
Спектрометр видимого та інфрачервоного світла (Visual and infrared spectrometer, VIR). Кадри спектру -- 256 (простір) × 432 (спектр). Охолоджений до 70К, чутливий до електромагнітних хвиль довжиною від 950 до 500 нм. Призначений для дослідження мінералогії астероїдів.
Детектор гамма-променів та нейтронів (Gamma Ray and Neutron Detector, GRaND). Використовуватиметься для вимірювання розповсюдження основних елементів, що входять до складу каміння -- O, Mg, Al, Si, Ca, Ti, та Fe, а також K, Th, U і (за ефектами присутності водню) води.
Гравітаційний експеримент. Окремих приладів для нього немає, однак вимірювання швидкості корабля, обладнаного надстабільними осциляторами, за допомогою ефекту Доплера дасть можливість дослідити гравітаційне поле Церери та Вести.

Схема розташування приладів:

де:

HGA – High Gain Antenna, вузьконаправлена антена,
LGA – Low Gain Antenna, малонаправлена антена,
CSS – Coarse Sun Sensors, грубий сонячний сенсор,
GRaND – Gamma Ray and Neutron Detector, детектор гамма-променів та нейтронів,
IPS Thrusters – Ion Propulsion Thrusters, іонні двигуни,
RCS Thrusters – Reaction Control System Thrusters, двигуни системи орієнтації,
VIR – Visible and Infrared Mapping Spectrometer, спектрометр видимого та інфрачервоного світла,
FC – Framing Camera, кадрова камера.

Цікаво, що дана місія була кілька раз відмінена. В грудні 2003 ("відновлено" в лютому 2004 ) та починаючи з жовтня 2005 (відновлено в березні 2006). Певну роль в порятунку відіграла як згода виробника, Orbital Sciences Corporation, працювати лише за собівартість, так і широкі звернення громадськості, зокрема в рамках The Planetary Society. І я підписував звернення :-)

Орбіта виглядає якось так:

Можливо, відео більш наглядне:

Найближчі плани "Dawn":

Починаючи з 3 травня 2011 закінчилася фаза круїзу та почалася фаза, присвячена Весті. Вона поділяться на кілька частин: наближення, огляд (survey), HAMO -- High Altitude Mapping Orbit, LAMO -- Low Altitude Mapping Orbit, і HAMO2. Під час наближення здійснюватиметься вивчення обертання Вести та пошук супутників. Також уточнюватиметься маса астероїда для задання ряду параметрів перебування на орбіті та роботи космічного апарату.

Огляд почнеться коли буде досягнуто висоту в 2700 км, десь між 8 і 11 серпня 2011. Dawn буде знаходитися на полярній орбіті з періодом 2.5-3 доби, а Веста обертатиметься під ним із значно меншим періодом в 5 годин 20 хвилин, дозволяючи за одну орбіту кілька раз оглянути всі її довготи. Карти складені під час огляду досягатимуть роздільної задтності 250 метрів на піксель, роздільна здатність спектрометра -- 700 метрів на піксель. Детектор гамма-променів та нейтронів буде теж ввімкнено, але сигнал буде слабеньким. Так як камери функціонуватимуть лише на денній стороні, то під час нічної зазвичай відбуватиметься передача результатів на Землю. Триватиме огляд близько 20 днів.

Як тільки буде досягнуто висоту 660 км, почнеться фаза High Altitude Mapping Orbit -- картографування з високої орбіти. Період -- 12 годин, тому протягом 10 орбіт охоплюватиметься вся поверхня. Всього таких 10-орбітних циклів тривалістю 5 земних діб очікується шість. Два цикли присвячені вертикальній зйомці та картографуванню (другий -- закриватиме розриви, що виникнуть в результаті різноманітних збоїв), а ще 4 -- зйомці під кутом, для отримання стереозображень.

По закінченню HAMO відбудеться перехід на орбіту висотою 180 км, та розпочнеться Low Altitude Mapping Orbit, картографування з низької орбіти. Основна ціль цієї під-фази -- отримання вимірів детектором гамма променів та нейтронів для вивчення розповсюдження хімічних елементів по поверхні Вести. Очікується що він працюватиме принаймні два місяці, тим більше що йому байдуже чи працювати на денній а чи на нічній стороні :-) Також досліджуватиметься гравітаційне поле Вести та розподіл маси в ньому. Камера та спектрометр вмикатимуться при нагоді.

Близько червня 2012 апарат повернеться на високу орбіту і розпочнеться HAMO2. В цей час якраз відбудеться зміна сезонів та північні полярні території, що були в темряві під час HAMO, стануть доступні для камери та спектрометра. Закінчивши картографування, в липні 2012, Dawn залишить Весту та направиться до Церери. Доживемо до цього -- напишу і про плани на Цереру :-)

Додатково, "офіційне" відео НАСА про цю місію:

UPDATE 14-12-2011.
Ось тут натрапив на характеристики фільтрів камери: