Записки дилетанта: LADEE в дорозі

четвер, 12 вересня 2013 р.

LADEE в дорозі

На днях вирушила до Місяця чергова експедиція --- LADEE. LADEE означає Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer. Тобто, вивчатиметься атмосфера Місяця та ситуація із пилом в його околицях. Місяць? Атмосфера? Так. Певна атмосфера, чи, швидше --- екзосфера, у нього є. Правда, тиск біля поверхні всього 10 наноПаскаль, одна десяти-трильйонна від тиску Земної. Або порядку \(10^5\) частинок на кубічний сантиметр днем, \(10^4\) --- вночі, проти \(2.7\cdot 10^{19}\) для Землі. Склад -- водень, гелій, неон та аргон, йони натрію та калію. Практично для будь яких цілей це -- ідеальний вакуум. Див. також вікі, англійську чи російську.) Однак, з наукової точки зору розуміти процеси у ній важливо. Зокрема -- її походження та динаміку. Ефекти, які керують такими екзосферами, можуть бути важливими для розуміння виникнення та еволюції інших атмосфер (які "зверху" такі ж розріджені --- МКС літає в схожих умовах), зокрема і нашої власної.

Основні можливі джерела екзосфери: внутрішні, такі як виділення газів із кори, гіпотетичний вулканізм, та зовнішні --- падіння мікрометеоритів, сонячний вітер.

Не менш цікавою є і пилова оболонка Місця. Зокрема, світло, розсіяне нею, бачили як астронавти так і Surveyor-и:

Світіння місячного горизонту. Ймовірно, сонячне світло розсіюється пилюкою.
(c) Eberhard Gruna, Mihaly Horanyia, Zoltan Sternovskya, "The lunar dust environment", Volume 59, Issue 14, November 2011, Pages 1672–1680

Для дослідження таких аспектів околиць Місяця 6 вересня 2013 було запущено крихітну місію LADEE. Все з тих же міркувань недостачі сил та часу пишу майже тезово, зате із багатьма посиланням на першо- і друго- джерела.

Будова

Апарат зовсім простенький (знову ж таки, відносно!). Повний бюджет складає порядку 280 мільйонів доларів (включаючи розробку, виготовлення, запуск, керування, аналіз даних, тощо). Досягнути такої низької (справді низької --- космічні запуски дуже дорогі) ціни вдалося, використовуючи лише готові компоненти (в сенсі -- запозичені, не обов'язково у вигляді конкретних запчастин, звичайно). Детальніше -- трішки нижче.

Ще однією його сильною стороною є модульність --- він зібраний на базі архітектури Modular Common Spacecraft Bus, як своєрідний конструктор:

Основні елементи LADEE. (с) LADEE Press kit

Станція має (як видно на схемі) форму восьмигранника, ширина 1.85 м, довжина 2.37 м. Вага при запуску --- 383 кг, з яких 135 кг палива і 50 кг корисного навантаження.

Система орієнтації -- трьох-осьова. Включає датчик Сонця, два датчика зірок, гіроскопи-маховики (reaction wheels) та гіростабілізатор (inertial measurement unit). Для керування польотом апарат обладнано двигунами, одним на 455Н (orbit control thruster) для керування орбітою та 4-х двигунів керування орієнтацією, по 22Н кожен. Паливо двокомпонентне --- метилгідразин та, в ролі окислювача, суміш оксидів азоту.

Електропостачання здійснюється сонячними батареями, доповненими літієвим акумулятором. Батареї покривають корпус зі всіх сторін, зменшуючи потребу в орієнтації по Сонцю. Очікувана потужність (на віддалі 1 астрономічна одиниця) -- 295 ват. Ємність акумулятора -- 24 ампер-години, (напруга -- 28 вольт).

Для зв'язку використовуються "середньо-направлені" (medium-gain) та ненаправлені (omni-directional) антени. Крім того, частиною наукової апаратури є The Lunar Laser Communications
Demonstration payload system --- пристрій для випробування лазерного зв'язку, про який трішки пізніше.

Запуск здійснювався доволі екзотичною ракетою Minotaur V, під час її першого польоту. Зокрема, вона має 5 ступенів, кожна із яких використовує твердотільні двигуни.

Політ

Запуск відбувся 7 серпня 2013 року, 03:27 UTC (6 серпня, 2013, 11:27 p.m. згідно EDT). Після запуску в гіроскопах спостерігалися збої, але так виглядає, проблему вдалося вирішити.

Програма польоту теж доволі екзотична. Ймовірно, внаслідок економії на ракетоносії.

Програма польоту. Зрозуміло, що Місяць рухається відносно Землі, тому ілюстрація в геліостатичній системі -- відносно Сонця. (c) NASA

Через 23.45 хв (цікаве число :-) після старту, або 5.44 хв після вигорання останньої ступені, апарат відділяється від ракетоносія. При цьому він буде на першій "Phasing Orbit". Кожного разу, опиняючись в перигеї, найближчій до Землі точці, він запускатиме двигун, щоб підняти апогей -- найдальшу точку орбіти. Таких кіл (точніше, витягнутих еліпсів), phasing orbits, заплановано три. Тривалість цього етапу -- 24 дні. Перший запуск двигуна заплановано на п'ятницю, 13 вересня, 16:38. На третьому колі швидкість стане достатньою, щоб черговий апогей "дотягнувся" до Місяця, куди він потрапить через 5 днів від останнього запуску двигуна.

Біля Місяця почнеться наступна стадія, lunar orbit insertion, вихід на його орбіту. Запланований її початок на 6 жовтня. Апарат обігне Місяць із "лицьової" сторони -- тієї, що дивиться в напрямку руху, і з протилежного від Землі боку нашого природного супутника, на 3 хв, запустить двигун, щоб сповільнитися і дозволити Місяцю захопити станцію в поле свого тяжіння. Період початкової орбіти буде 24 години, і буде вона еліптичною. Наступних три дні апарат приводитиме орбіту до кругової, на висоті ~250 км, із періодом близько двох годин. Якщо я правильно зрозумів, площина орбіти буде близькою до площини екліптики і проходитиме біля екватору Місяця.

Наступних 40-60 днів апарат буде займатися "введенням в експлуатацію" (commissioning phase) --- випробування і підготовка приладів до роботи, під час якої, зокрема, буде випробувано лазерний зв'язок. За цей час орбіта перестане бути круговою -- під впливом неоднорідностей гравітації Місяця (згадуємо про маскони), віддаль від поверхні змінюватиметься в інтервалі 200-300 км. Останні 10 днів цієї фази периселеній буде активно --- запуском двигунів, знижено до 75 км. Розпочнуться перші виміри екзосфери та пилової хмари Місяця.

Схема наукової обріти.
(c) NASA Ames / Dana Berry

Наступною фазою буде, власне, наукова (science orbit). Її тривалість -- 100 днів (3 з хвостиком місячних дні -- можна буде дослідити добові зміни). Висота орбіти буде 20 - 150 км, період -- між 111.5 та 116.5 хвилин. Через відносно високу неоднорідність гравітації Місяця, щоб не випускати орбіту за межі 50-150 км, доведеться вмикати двигуни кожних 3-5 днів. При тому, запуски двигуна робитимуться так, щоб найнижча точка орбіта була над термінатором під час сходу Сонця --- там очікуються найцікавіші явища.

Остання фаза --- виведення з експлуатації, Decommissioning
Phase. Триватиме 3-7 днів. Під час цієї стадії паливо вже майже вичерпається, тому активних маневрів не планується. Виміри проводитимуться до самого кінця --- поки варіації гравітаційного поля таки не скинуть апарат на Місяць. Вибір конкретного місця падіння не планується, тому воно може бути невидимим з Землі. (Підозрюю, що зроблено це, щоб мати можливість зекономити паливо для "науки", хоча б -- для керування орієнтацією --- до Сонця, щоб отримувати енергію і до Землі, щоб передавати дані -- на це теж треба паливо, трішки продовживши корисний час місії. Однак, можу помилятися.).

Наукові задачі та прилади

Конкретні задачі перед станцією наступні:

Визначити густину та склад екзосфери. Вивчити її зміни з часом.
Дослідити процеси, що контролюють її розподіл, мінливість, взаємодію із поверхнею, зокрема -- джерела матеріалів і шляхи його відтоку.
Дослідити пилову "оболонку" та її взаємодію із екзосферою.
Дослідити розмір, заряд та розподіл часток пилу, оцінити їх можливий вплив на діяльність людини на Місяці -- як під час його досліджень, так і з точки зору побудови обсерваторій на його поверхні.

Як відомо, під час міссій "Аполонів" вплив пилюки був доволі помітний. Перед поверненням краще бути готовим. Крім того, екзосфера і пилева оболонка зовсім тендітні, хотілося б розуміти їх будову до того, як людина активною діяльністю буде їх збурювати. Цікаво буде, якщо вдасться "застукати" падіння великих метеоритів під час активної роботи станції, зафіксувати ефекти від них.

Для виконання наукових задач апарат обладнано трьома інструментами. Четвертий --- експериментальний пристрій лазерного зв'язку. Розглянемо їх.

Розташування приладів на LADEE (c) NASA

Ultraviolet and Visible Light Spectrometer (UVS) --- Спектрометр ультрафіолетового та видимого світла. Вдосконалений варіант пристрою, що був на LCROSS. Чутливий у діапазоні 230-810 нм. Містить два компоненти, limb telescope ("телескоп краю"? "телескоп горизонту"?) і solar viewer ("споглядач Сонця"?). UVS limb telescope буде направлено зразу над горизонтом Місяця, спостерігаючи за розсіяним та поглинанням пилюкою сонячного світла і за світінням екзосфери. Після спостереження за точкою кілометрів на на 20 над поверхнею, телескоп направлятиметься на Місяць так, щоб він повністю закрив поле зору. UVS solar viewer спостерігатиме за Сонцем, починаючи від його високого розташування над горизонтом, і аж поки воно не сховається за краєм Місяця. Якщо над поверхнею є пилюка, так її можна буде добре "розгледіти". Якщо в екзосфері будуть йони молекул води, або йони гідроксилу, UVS мав би їх зафіксувати. (Спостереження за рідкими молекулами води є важливим для розуміння міграції її у вічно затінені кратери.) Взагалі, може реєструвати наступні атоми та молекули: Al, Ca, Fe, K, Li, Na, Si, T, Ba, Mg, H2O (в іонізованій, чи -OH формі), O.
Neutral Mass Spectrometer (NMS). Квадрупольний мас-спектрометр нейтральних частинок. Потомок великого сімейства спектрометрів, використаних на Curiosity, Cassini, CONTOUR, MAVEN (про нього теж скоро напишу -- запуск в листопаді). Він може фіксувати молекули з масою від 2 а.о. до 150 а.о. Зокрема, шукатиме CH4, S, O, Si, Kr, Xe, Fe, Al, Ti, Мg, -OH і H2O. Аргон важливий для розуміння внутрішніх процесів Місяця, можливо --- залишків вулканізму, гелій --- для дослідження взаємодії із сонячним вітром. Метали вибиваються із поверхні сонячним випромінюванням та мікрометеоритами. Працюватиме в двох режимах --- в основному сам іонізуватиме атоми та молекули для дослідження, іноді --- замірятиме концентрації "готових", вже іонізованих, часток.
Lunar Dust Experiment (LDEX) --- уловлювач частинок пилу. Теж прилад із великим спадком: HEOS 2, Ulysses, Galileo, Cassini. Відчуває удари пилинок, вимірюючи струм, викликаний хмаркою плазми, що виникає в момент удару та прискорюється електричним полем між парою електродів. Детектує частинки навіть за відносно малої орбітальної швидкості LADEE -- 1.6 км/с. Здатен детектувати частинки до 1 мкм діаметром (сота частина діаметру волосини), або колективний сигнал від багатьох частинок до 0.1 мкм.
Lunar Laser Communications Demonstration (LLCD). Прилад навіть має свій сайт. Очікується швидкість передачі даних в 622 мегабіт за секунду "сюди", 20 мб/с "туди", до Місяця. Це в 5 раз більше від найкращих результатів із околиць Місяця. (На сайті наведено приклад --- малонаправлена антена LADEE, відносно повільна, передаватиме типовий фільм в HD 639 днів, LLCD -- 8 хвилин. Хоча, звичайно , порівняння трішки нечесне --- малонаправлена антена, все ж.) При тому --- легкий та економний, в порівнянні із радіо. Використовує інфрачервоний лазер. Сам лазер на апараті споживає 0.5Вт! (Інша апаратура -- підсилювачі і т.д. потребує додаткове живлення, але все рівно --- небагато.) Вага всієї системи ~30 кг. Діаметр телескопу -- 10 см. Спеціальний пристрій детектує та компенсує вібрації станції --- для підвищення точності наведення. Може орієнтуватися по двох осях відносно апарату. Про наземні станції лазерного зв'язку див. тут. Згадаю лише, що телескоп-передавач має діаметр 15 см, приймач --- 40 см.

Зауважте --- жодної камери. Інша справа, що камер в околицях Місяця і так досить. Але лазерній системі передачі явно не буде особливо багато справжньої роботи. Напевне, для проби, просто ганятимуть дані туди-сюди.

На цьому --- все. Не гарантую, що слідкуватиму ретельно за роботою станції, але як будуть якісь результати --- постараюся, хоча б коротко, написати. А поки ---

Дякую за увагу!