Записки дилетанта: MAVEN

середа, 24 вересня 2014 р.

MAVEN

Малюнок MAVEN на фоні Марса. (c) NASA / GSFC

Ця осінь доволі бурхлива, з точки зору міжпланетних місій. "Розетта" активно працює з кометою Чурюмова-Герасименко, на листопад планується висадка її спускного апарату, "Philae". Інша комета, Siding Spring (C/2013 A1), з хмари Оорта, в жовтні буде пролітати повз Марс, даючи можливість дослідити її, "на халяву", всім тим зоопарком орбітальних апаратів, що працює біля цієї планети. Крім того, до Марса прибули ще дві орбітальні станції --- 21/22-го вересня успішно загальмував та вийшов на орбіту Марсу, американський MAVEN, а за кілька днів вийшов на орбіту індійський MOM -- Mars Orbiter Mission. Про останній трохи пізніше, а поки поговоримо про MAVEN. (Це все вище -- не говорячи про купу місій, які продовжують свою роботу -- марсоходи, орбітальні марсіанські, "венеричні" станції, Cassini, "Вояджери" і т.д.).

MAVEN -- Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN. Тобто, на відміну від більшості інших станцій, головним об'єктом його дослідження буде атмосфера, а не поверхня, Марсу. Як вже майже точно відомо, колись Марс мав густішу атмосферу і більше води. Вважається, що, в процесі його планетної еволюції, магнітне поле слабшало, даючи сонячному вітру руйнувати та здувати атмосферу. Альтернатива -- атмосфера могла б відкладатися на поверхні планети, в результаті якихось геохімічних процесів, однак слідів цього не видно. Для перевірки цих теорії/моделей та, більш загально, вивчення взаємодії сонячного вітру із залишками атмосфери, було запущено цей апарат. Зокрема, вимірюватиметься поточна швидкість втрати атмосфери та її сучасний ізотопний склад її верхніх шарів. (З якого можна багато що сказати про еволюцію, наприклад, легкі ізотопи "вивітрюються" швидше, тому надлишок важких ізотопів, в порівнянні із очікуваним, отриманим для краще захищених від втрат планет, свідчитиме про такі втрати справді відбувалися. Величина надлишку для різних ізотопів дозволить відібрати більш коректі моделі еволюції Марсу та уточнити їх "вільні параметри".) Ще одна його задача -- підтримувати зв'язок із спускними апаратами, як марсоходами, що працюють зараз, так і майбутніми станціями.

Детальніше про процеси втрати можна почитати тут: "MAVEN press kit", сторінки, (в файлі), 13-14.

"Формальні" та технічні характеристики:

Місія розроблена в рамках програми Mars Scout Program.
Запуск -- 18 листопада 2013, ракетою Atlas V. Запуск до Марсу відбувся з низької навколоземної орбіти.
Вага під час запуску -- 2454 кг, суха вага -- 809 кг, 1645 кг палива.
Вага наукових приладів -- 65 кг + 6.5 кг важить Electra, пристрій зв'язку із поверхневими лабораторіями -- марсоходами і т.д.
Потужність сонячних батарей на орбіті Марса -- 1135 Ват (на орбіті Землі -- 1700 Ват). Їх площа -- 12 м^2, складаються із більше ніж 2000 комірок. Дві буферні літій-іонні батареї, 55 ампер-годин кожна. Взагалі, орбіта станції така, що вона в тінь Марса потрапляти не повинна. Батареї, в основному, потрібні в ті періоди, коли станція повертатиметься до Землі для сеансів зв'язку. Сонячні батареї мають характерну вигнуту форму, щоб забезпечити стабільність під час занурень в атмосферу.
Конструкція базується на попередніх станціях, Mars Reconnaissance Orbiter і Mars Odyssey. Орбітальний модуль -- куб, розміром 2.3 × 2.3 × 2 метри. Довжина, разом із сонячними батареями -- 11.4 метри. Базою послужив, власне, MRO, але і відмінностей багато, наприклад бак більший а сонячні батареї та головна антена -- зафіксовані відносно корпусу.
Двигуни: 6 основних, здатних розвивати зусилля 109-296 Н. 8 орієнтаційних, зусилля -- 22 Н кожен.
Зв'язок: направлена антена, діаметром 2 м, X-діапазон, дві ненаправлені антени. Кожних 3.5 днів станція повертатиметься до Землі на 5 годин та передаватиме отримані дані і отримуватиме подальші команди. ("Продуктивність" під час наукової стадії -- порядку 3 гігабіт за орбіту. Ємність внутрішньої пам'яті -- 32 гігабіти.) Решту часу за станцією слідкуватимуть за допомогою ненаправленої антени. (Для порівняння можливостей антен, під час виходу на орбіту, швидкість передачі через ненаправлену антену складала 45 біт за секунду). Також, ненаправлені антени використовуватимуться для відстежування положення станції, з використанням ефекту Доплера.
Для орієнтування використовуються два датчика зірок (спеціальні камери), два датчики Сонця (щоб направляти до нього сонячні батареї у випадку проблем та переходу в безпечний режим), гіроскопи для визначення орієнтації та 4 reaction wheel (як воно там перекладається?) для точної орієнтації.
Повна ціна, разом із ракетою, вартістю першого року операцій та резервними коштами -- 671 мільйон доларів.

Всілякі факти про станцію та її місію:

Гальмівний імпульс, призначений перевести станцію на орбіту Марса: 22 вересня 2014, 01:50 UTC. Тривалість імпульсу 34 хв 26 с. (Двигуни трішки недопрацювали, тому, для досягнення необхідної зміни швидкості, пропрацював трішки довше, ніж планувалося.) Швидкість підльоту -- 4.7 км/с, двигуни зменшили її на 1230 м/с. Початкова орбіта має період 35 годин, 380 на 44600 км, до робочої понижатимуть потім. Перед цим станція подолала близько 711 мільйонів кілометрів.
Запланована наукова орбіта: 6200 км на 150 км, з нахилом 75 градусів та періодом 4.5 години.
Номінальна місія триватиме 1 земний рік (52 тижні) та включатиме 5 "занурень" в атмосферу Марса, до висоти 125 км, тривалістю 20 орбіт, (приблизно 5 днів), кожне. (Густина там в 30 раз більша, ніж під час номінальної мінімальної висоти)
Взагалі, час прибуття вдалий -- Сонце знаходиться в своєму максимумі активності, активно взаємодіючи із атмосферою, збурюючи її. Якщо все піде добре, під час розширеної місії вдасться дочекатися сонячного мінімуму, і порівняти. (Взагалі, розробники вірять, що станція здатна протягнути десяток років у робочому стані.)
Розширена місія, якщо вона відбудеться, запланована тривалістю в марсіанський рік (98 тижнів). Якщо дійде до "розширеної розширеної місії", планується підняти періарій, мінімальну висоту орбіти, до 220 км, для економії палива, якого, після цього, повинно вистачити ще років на 6.
Після закінчення палива, через тертя в атмосфері, MAVEN рано чи пізно впаде на Марс, тому при його виготовленні врахувалися карантинні вимоги для захисту потенційної біосфери Марсу від земних мікроорганізмів.

Що буде робити станція перші тижні після прибуття описано тут: MAVEN orbit insertion timeline. Якщо коротко -- понижатиме орбіту до робочої, вмикатиме, тестуватиме та калібруватиме прилади, спостерігатиме за кометою Siding Spring. Тривалість підготовчого періоду -- 5 з половиною тижнів. Якщо все буде добре, наукова фаза розпочнеться 8 листопада 2014 року.

Схема розташування приладів. Шість із входять до Particles and Fields package: Solar Energetic Particle (SEP); Solar Wind Ion Analyzer (SWIA); Solar Wind Electron Analyzer (SWEA); SupraThermal and Thermal Ion Composition (STATIC); Langmuir Probe and Waves (LPW); and Magnetometer (MAG). Крім того, є UltraViolet Spectrograph (IUVS) та Neutral Gas та Ion Mass Spectrometer (NGIMS).
(c) NASA / LASP / GSFC / JPL

Станція обладнана трьома наборами наукових приладів:

Particles and Fields Package ("Пакет для вивчення частинок і полів") — містить 6 інструментів для дослідження характеристик сонячного вітру та іоносфери планети.
The Remote Sensing package ("Пакет дистанційного вивчення") --- складається із одного приладу, Imaging UltraViolet Spectrograph (IUVS) ("Ультрафіолетовий спектрограф із можливістю побудови зображень").
Ще один пакет, теж із одного інструмента -- Neutral Gas and Ion Mass Spectrometer (NGIMS) ("Нейтральний і іонний мас-спектрометр").
IUVS, NGIMS, STATIC із PFP розташовані на поворотній платформу, щоб їх можна було наводити на ціль, не повертаючи цілу станцію.
Крім наукових приладів, важливим корисним навантаженням є Electra --- UHF система зв'язку із поверхневими станціями. Конкретно цей пристрій був запасним для Curiosity. Здатен досягати швидкості 1 Мбіт/с та більше.

Розглянемо ці прилади детальніше.

Particles and Fields Package:

Solar Energetic Particle (SEP, "Сонячні високоенергетичні частинки"), [1], [2] -- Два датчика на кутах корпусу. Призначені вимірювати іони водню і гелію(?) та електрони(?), які викидає Сонце під час сонячних штормів, спалахів, коронарних викидів, тощо. Здатен фіксувати електрони з енергіями 25 кеВ -- 1 МеВ, протони з енергіями 25 кеВ -- 6 МеВ, із потоком 20-107 частинок на сантиметр квадратний за секунду. Виміри проводитимуться що дві секунди на висотах нижче 300 км, що 8 секунд -- між 300 і 800 та раз на 32 секунди для вищих положень. (? --- в одних джерелах говориться про іони водню та електрони, в інших про іони водню та гелію... Тобто, зрозуміло, що прилад матиме справу із всіма ними --- вони всі там літають, але от які з них безпосередньо досліджує?)
Solar Wind Ion Analyzer (SWIA, "Аналізатор іонів сонячного вітру"), [1], [2] -- один датчик, призначений вимірювати густину, температуру та швидкість іонів сонячного вітру. За допомогою його вимірів можна буде оцінити, як швидко іонізується верхня атмосфера Марса та що стається потім із цими іонами. Вимірює енергії 5 - 25 000 еВ, швидкості 30 - 2000 км/с, густини 0.1 -- 100+ частинок на сантиметр кубічний. Поле зору -- 360 х 90 градусів, кутова роздільна здатність -- 22.5 градусів. Вимірює кожних 4 секунди, крім періодів глибокого занурення в атмосферу.
Solar Wind Electron Analyzer (SWEA, "Аналізатор електронів сонячного вітру"), [1], [2] -- один датчик, на 1.75-метровій штанзі, що вимірюватиме енергію та кутовий розподіл потоків електронів, які рухаються вздовж силових ліній магнітного поля. Досліджуватиме електрони сонячного вітру, достатньо енергійні, щоб могти іонізувати атоми та молекули атмосфери. Відрізняє електрони сонячного вітру від електронів іоносфери за їх різними енергетичними розподілами. Енергія вимірюваних електронів: 5-5000 еВ, роздільна здатність 12% для менше 50 еВ, 18% для максимальної енергії. Поле зору -- 360х130 градусів, роздільна здатність -- 22.5 х 20 градусів. Базово, вимірюватиме сонячний вітер на висотах більше 500 км (що 8 секунд) та іоносферні електрони на менших (що дві секунди).
SupraThermal and Thermal Ion Composition (STATIC, "Надгарячий і гарячий іонний склад") , [1], [2] -- розташований на рухомій платформі, визначатиме склад та швидкість високоенергетичних іонів водню, гелію, кисню та вуглекислого газу в атмосфері Марсу. Зокрема, дозволяє оцінити, як іони "здуваються" сонячним вітром. Окремо вимірює іоносферні іони, з енергіями 0.1-10 еВ, надгарячі іони хвоста іоносфери, 5 - 100 еВ, "pick-up" (підхоплені?) іони, з енергіями 100 - 20 000 еВ. Чутливий до іонів з масами 1 - 70 а.о.м, припустимі швидкості -- від менше 1 км/с до більше ніж 25 км/с, енергія 1 - 30 000 еВ, поле зору -- 360х90 градусів.
Langmuir Probe and Waves (LPW, "Датчик ленгмюровских хвиль") , [1], [2] -- два датчики, на 7-метрових штангах, щоб мінімізувати вплив полів самої станції. Вимірюватиме густину іоносфери та температуру її іонів. Датчики два, щоб в кожен момент часу хоча б один із них не був закритий корпусом станції. Включає також датчик дальнього ультрафіолету (три канали: Lyman Alpha, solar corona, and hot corona, 0.1 - 7 nm, 17 - 22 nm, and 121.6 nm). Прилад дозволить визначити межі іоносфери. Вимірюючи температуру іоносферних електронів та інтенсивність жорсткого ультрафіолету, зможе оцінити швидкість фотохімічних реакцій у верхніх шарах атмосфери.
Magnetometer (MAG, Магнітометр) , [1], [2] -- пара індукційних магнітометрів, на кінцях сонячних батарей. (Взагалі, магнітометрів у космосі багато, конкретно ці походять від тих, що летять на "Вояджерах". Детальніше про походження решти інструментів, див. тут.) Дозволяє вимірювати напруженість та напрямок міжпланетного, залишкового марсіанського та наведеного в іоносфері магнітних полів. Надаватиме контекст для решти приладів -- магнітні поля важливі для багатьох із досліджуваних процесів. Має три діапазони +- 65 536 нТ (в основному, для наземних випробувань), +- 2048 нТ, роздільна здатність ~0.060 nT -- для дослідження аномалій залишкового поверхневого магнітного поля, +-512 нТ, роздільна здатність 0.015 нТ -- для дослідження сонячного вітру. Так як сенсори надзвичайно чутливі (здатні вимірювати поля, в мільйони раз слабші за магнітне поле Землі), апарат конструювався і виготовлявся так, щоб мінімізувати вплив його власних полів на прилади, зокрема спеціально розмагнічувався.

Решта інструментів:

Imaging UltraViolet Spectrograph (IUVS) ("Ультрафіолетовий спектрограф із можливістю побудови зображень") , [1], [2], буде спостерігати за лімбом атмосфери, коли станція знаходитиметься близько до нижньої точки орбіти, (висота менше 500 км, приблизно 23 хв. кожної орбіти) фотографуватиме цілий диск -- коли близько до верхньої. Спостерігатиме покриття зірок атмосферою, (до висоти приблизно 30 км), для вимірювання концентрації вуглекислого газу. Здатен вимірювати співвідношення між воднем та дейтерієм. Надасть цінну інформацію про хімічний склад верхніх шарів атмосфери та швидкість втікання у космос водню. Заплановано побудувати трьохмірну карту розподілу різних атомів, сполук та йонів (водню, вуглецю, кисню, азоту, вуглекислого та чадного газів) на висотах від 100 до 225 км. Має два режими, із різною роздільною здатністю, в діапазонах 110-340 нм та 120-131 нм. Роздільна здатність по висоті, під час "лімбічних" вимірів -- 4 км.
Neutral Gas and Ion Mass Spectrometer (NGIMS) ("Нейтральний і іонний мас-спектрометр") , [1], [2], вимірюватиме концентрацію нейтральних газів та холодних йонів іонів у верхніх шарах атмосфери, та сортуватиме їх за зарядом. Здатен фіксувати гелій, азот, кисень, вуглекислий та чадний гази, аргон -- He, N, O, CO, CO2, Ar; і вимірювати співвідношення ізотопів для вуглецю, азоту, кисню та аргону. В принципі, крім згаданих вище геологічних причин, на концентрацію різних ізотопів можуть впливати і біологічні процеси... Може проводити вимірювання між висотами 125 і 400 км. Станція проводитиме в цьому інтервалі висот 12 хвилин кожної орбіти. Прилад споріднений із SAM, який знаходиться на Curiosity, доповнюючи його виміри. Діапазон мас -- 2 - 150 а.о.м. Забір зразків -- 30 мс, інтегрування -- 27 мс. Може сканувати із кроком 0.1 а.о.м або 1 а.о.м. Має із собою запас аргону, азоту, CO2, криптону та ксенону для калібрування.

Як такої, камери не має, хоча, IUVS і вміє будувати зображення, правда, не в видимому світлі. Так само MAVEN, на жаль, не може вимірювати концентрацію метану (детектування/не детектування якого породжує стільки дискусій).