Записки дилетанта: Philae --- вперше до поверхні комети

четвер, 18 вересня 2014 р.

Philae --- вперше до поверхні комети

Малюнок спускного апарата Philae. (c) NASA

"Розетта" везе із собою невеликий (100 кг) спускний апарат, Philae, призначений для безпосереднього дослідження поверхні комети, зокрема --- для забезпечення "поверхневої правди", щоб можна було калібрувати та осмислювати орбітальні виміри.

Названо апарат на честь острова Філе, де було знайдено обеліск, який, разом із Розетським каменем, допоміг розшифрувати єгипетську письменність.

Він являє собою специфічний асиметричний шестигранник, висотою близько 80 см і шириною порядку метру.

Малюнок Philae.
(c) Wiki (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt)

Схема Philae, із підписаними приладами.
(c) ESA/ATG medialab

Корпус виготовлено з вуглепластику (carbon fiber), із алюмінієвим покриттям. Корпус спеціальним рухомим телескопічним механізмом кріпиться до триноги. Завдяки цьому механізму, апарат може повертатися відносно триноги. Щоб прилади могли добратися до цікавих ділянок а сонячні батареї генерували максимум енергії, апарат повертатиметься як ціле. Кожна із ніг триноги обладнана поглиначами енергії -- для амортизації зіткнення. Посадка здійснюватиметься (майже) пасивно. Спеціальні двигунчики притискатимуть його до поверхні, щоб він не відскочив назад (гравітація комети мізерна), поки спрацюють гарпуни, зафіксувавши апарат. Крім того, кожна опора, вступивши в контакт із поверхнею, почне "вгризатися", всвердлюватися в неї. В процесі польоту апаратик буде стабілізований відносно головної осі, для чого його обладнано спеціальним гіроскопом. Швидкість зіткнення буде порядку 1 м/с. Наочно всі ці процеси можна побачити на відео, наведеному трохи нижче.

Кріплення Philae до "Розетти"
(c) Wiki (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt)

Енергія апарату постачається внутрішніми батареями, ємністю 970 і 110 Ват-годин ьа сонячними батареями на базі Ga-As, потужність порядку 4 Вт. Перша батарея призначена живити його під час перших 60 годин роботи, друга -- для подальшої роботи, може підзаряджатися, в процесі роботи, від сонячних батарей.

Зв'язок із Розеттою --- прийомо-передавач S-діапазону потужністю 1 ват. "Розетта" служитиме ретранслятором для передачі даних на Землю, це дозволяє значно зменшити потрібну спускному апарату енергію. Швидкість обміну з "Розеттою" -- 16 кілобіт за секунду.

Виготовлено апарат, для ESA, німецьким German Aerospace Research Institute (DLR), за окремої участі Австрії (гарпун, сенсори MUPUS які на ньому), Фінляндії (пам'ять CDMS, Permittivity Probe (PP)), Франції (загальна конструкція, батареї, CONSERT, CIVA, наземна інфраструктура), Польщі (MUPUS), Угорщини (CDMS, Power Subsystem (PSS) ), Ірландії (Electrical Support System Processor Unit (ESS)), Італії (SD2 і Photo Voltaic Assembly), Великобританії (PTOLEMY, термоізоляція, гіроскоп).

Маса наукових приладів -- 21 кг (із ~100 кг повної маси).

APXS (Alpha Proton X-ray Spectrometer) [1], [2] -- все той же (див Марс-Місяць :-), прилад, що опромінює зразок альфа-частинками і детектує відбиті альфа-частинки та рентгенівське випромінювання яке виникає в результаті опромінення. Спектр відбитих частинок та рентгенівської флуоресценції дозволяє визначити, які хімічні елементи входять до складу мінералів. Покращена версія приладу, використаного на Mars Pathfinder. Здатен виявити всі основні елементи, від вуглецю до нікелю. Один із безпосередніх результатів його роботи буде можливість порівняти склад матеріалу комети із типовими метеоритами. Деякі технічні подробиці див. тут. (0.64 кг, 1.5 Вт)
COSAC (COmetary SAmpling and Composition) [1], [2] -- комбінований газовий хроматограф та мас-спектрограф часу прольоту. Призначений для аналізу ґрунту та дослідження летких його компонент. Дві основних задачі: дослідження елементного, ізотопного та хімічного складу кометного матеріалу і пошук та дослідження відносно складних органічних молекул, включаючи вивчення хіральності. Нагрів забезпечуватимуть печі із SD2 (див. нижче).
Ptolemy, [1], [2] -- пристрій для дослідження газів та визначення співвідношення ізотопів ключових елементів, таких як водень, кисень, азот та вуглець, у летких сполуках. Зокрема, завдяки йому, можливо, вдасться прояснити вклад комет із поясу Койпера на виникнення земних океанів (порівнюючи відношення H/D кометної та земної води). Для досягнення максимальної точності, пристрій буде калібруватися газом, привезеним із собою. Має можливість аналізувати гази, що виділяються кометою (деталі див. за посиланнями, якщо коротко, є 4 комірки, три із яких призначені для зразків, наданих DS2, а четверта може вловлювати гази з навколишнього середовища. Нагрів здійснюватиметься печами DS2, точніше, ці 4 комірки належать до нього, за потреби позиціонуються біля "входу" Ptolemey). Маса ~ 5 кг.
ÇIVA (Comet Nucleus Infrared and Visible Analyzer), [1] -- панорамна камера, яка складається із шести незалежних камер, розташованих у кутах апарату (5 одиничних, 6-та -- спарена, із двох "моно", для побудови стерео-зображень), та мікроскопа, спареного із інфрачервоним спектрографом. Розташування камер дає можливість побудувати повну, 360°, панораму. Кожна камера обладнана CDD сенсором із роздільною здатністю 1024х1024 пікселі. Роздільна здатність мікроскопа -- 14 мікрон. Зразок може підсвічуватися світлодіодами трьох різних кольорів. Спектрограф мікроскопа досліджуватиме склад, текстуру та альбедо зразків ґрунту. Він здатен будувати зображення із роздільною здатністю 50 мікрон, за допомогою HgCdTe-сенсора із роздільною здатністю 128х128 пікселів. При цьому зразок освітлюється монохроматором, із діапазоном довжин хвиль інфрачервоного світла 1-4 мікрони, з кроком 5 нанометрів. Зняття спектру для одного зразка -- 5 хв.
ROLIS (Rosetta Lander Imaging System), [1] -- CCD-камера, яка фотографуватиме комету в процесі спуску та надаватиме стереоскопічне зображення робочого простору інших інструментів (1024х1024). Розташовано на спеціальному "балкончику", дивиться вниз. Після посадки віддаль до поверхні складатиме ~ 30 см. Оптика бімодальна, кут огляду буде 75 градусів під час посадки і 50 -- після. Поле зору після посадки буде 30х30 см, роздільна здатність -- до 0.3 мм на піксель. Чотири кольорових канали -- RGB+інфрачервоний. (Маса камери -- 0.4 кг.)
CONSERT (COmet Nucleus Sounding Experiment by Radiowave Transmission), [1], [2] -- друга частина цього приладу. Перша розташована на орбітальній станції. Як я вже писав, "Призначений вимірювати діелектричну проникність ядра. Дозволяє досліджувати матеріал ядра в глибині, виявляти всілякі неоднорідності, порожнини, тощо. Станція та спускний апарат обмінюються радіосигналами по хитрому алгоритму (тривалість такого сеансу обміну - секунда), за одну орбіту таких обмінів назбирується порядку 6000, в результаті отримується своєрідна радіо-томографія ядра.". Свого роду томограф для комети.
MUPUS (MUlti-PUrpose Sensors for Surface and Sub-Surface Science), [1], [2] -- прилади для визначення густини, теплових та механічних властивостей поверхні. Складається із акселерометра якоря (ANC-M), термометра якоря (ANC-T), інфрачервоного "картографа" -- infrared mapper (TM), пенетратора і "молотка" (PEN-M), термометра пенетратора (PEN-TP) і нагрівача пенетратора (PEN-THC). Під час "загарпунення" комети, акселерометр вимірюватиме прискорення, даючи цінну інформацію про механічні властивості поверхні. Термометр на гарпуні вимірюватиме "внутрішню" температуру комети та її зміни із часом. Спеціальна 37-см скляна трубка, товщиною 1 см, буде покладена на віддалі приблизно 1 м від корпусу, та буде поступово забиватися в ґрунт спеціальним молотком. За кожного удару вимірюватиметься прискорення. 16 термометрів, розташованих вздовж 32.5 см трубки, вимірюватимуть розподіл температури в просторі та часі. Вони ж можуть служити нагрівачами, для дослідження теплопровідності. Точність -- 0.1С.
ROMAP (Rosetta Lander Magnetometer and Plasma Monitor), [1], [2] -- магнітометр та датчик плазми, для вивчення магнітних полів комети та її взаємодії із сонячним вітром. Роздільна здатність -- 10 пікоТесла, динамічний діапазон -- 4000 наноТесла, полоса пропускання 0-32 Гц, частота вимірів -- 1-64 вимірів за секунду. 1 кг, 1 Вт.
SESAME (Surface Electric Sounding and Acoustic Monitoring Experiments), [1] -- комплект із трьох пристроїв для дослідження нутрощів комети. Cometary Acoustic Sounding Surface Experiment (CASSE) вивчатиме розповсюдження звуків у кометі, Permittivity Probe (PP) -- електричні властивості, Dust Impact Monitor (DIM) -- падіння пилюки назад, на комету. CASSE має п'єзо-випромінювачі та п'єзомікрофони, розташовані на посадочних ногах. Може працювати активно -- випромінювати звук і "слухати", що відбилося, та пасивно -- прислухатися до сейсмічної активності комети. Може генерувати звук в діапазоні 0.1-6 кГц, слухати -- до 100 кГц. Одне із основних призначень PP -- досліджувати кількість води в поверхневих шарах, в різні періоди доби та за різної віддалі до Сонця. За допомогою переконфігурації режиму роботи, може вимірювати проникність до глибини 2 м. Складається із 5 електродів, в пасивному режим може "слухати" хвилі плазми, що виникають в процесі взаємодії викидів комети та сонячного вітру. DIM розташований зверху, після хитрих обрахунків дає можливість оцінити розподіл маси, швидкості, напрямку та потоку частинок у різні моменти часу. Чутливий до частинок із розміром від 5 x 10^-5 до 6 x 10^-3 м та масою від 5 x 10^-10 до 9 x 10^-4 кг. Маса та споживання електроенергії, відповідно: 0.55 кг/1.25 Вт; 0.27 кг/0.32 Вт; 0.405 кг/0.17 Вт.
SD2 (Drill, Sample, and Distribution subsystem), [1], [2] -- добуватиме зразки для дослідження і передаватиме їх Ptolmy, COSAC та ÇIVA. Глибина відбору зразків -- від 0 (поверхневі) до 230 мм, Включає бур, рулетку, печі, пристрій контролю об'єму. (26 платинових печей для нагріву зразків, 10 - до 180 °C, 16 -- до 800 °C, та один для очищення буру.) 5 кг, 10 Вт.

В принципі, Philae вже відзначився -- поки Розетта пролітала Марс, в стані глибокого сну, він, працюючи від батарей, зробив пару фотографій:

Фото Марсу із Philae, камера CIVA. Віддаль ~1000 км. Зрозуміло, що такі фото робилися не для дослідження Марса -- там і так багато чого літає, а для калібрування -- як Марс виглядає, ми знаємо дуже добре, а ось камера спускного апарату, як не дивно, відома нам значно менше -- запуск, тривалий політ, все таке.
(c) CIVA / Philae / ESA Rosetta

Програма роботи

Програма складається із двох основних частин. Перш, базова, триватиме ~60 годин -- поки вистачить головної батареї, дасть свого роду аварійні результати -- на випадок, як щось піде не так. Друга триватиме доти, поки апарат залишатиметься справним, буде сонячна енергія та припустимий температурний режим.

Виглядатиме це якось так (чудове відео, якщо вже дочитали аж сюди, обов'язково подивіться!):

Подивимося до програми детальніше. Наукові дослідження спускний апарат почне, як тільки відділиться від "Розетти". Перший етап -- separation, descent, and landing (SDL), відділення, спуск і посадка, триватиме 5-10 годин, в залежності від вибраного місця посадки.

Після відділення:

CIVA "на прощання" сфотографує орбітальний апарат.
ROLIS фотографуватиме поверхню комети в процесі наближення.
COSAC i Ptolemey "принюхуватимуться" до атмосфери комети.
ROMAP досліджуватиме плазму в околицях. SESAME/DIM і SESAME/PP займуться плазмою та пилюкою.
CONSERT вимірюватиме швидкість спуску, та, за компанію, досліджуватиме верхні шари ядра.

Виміри ці важливі, зокрема, тому що сама орбітальна станція так близько біля комети не працюватиме, а вони дозволять продовжити досліджену область до самої поверхні.

Зразу після посадки, автоматично:

CIVA зробить панораму місця посадки,
MUPUS виміряє прискорення гарпунів,
SESAME/CASSE вимірюватиме пружні властивості поверхні.

Потім почнеться так-звана перша наукова послідовність, first science sequence (FSS), розрахована на 54 години (приблизно час життя основної батареї, із врахуванням перельоту). Ця послідовність призначена добути основні наукові результати, навіть якщо будуть всілякі збої. Перші дії, на кілька годин, повністю автоматичні:

ROLIS сфотографує поверхню із мікронною роздільною здатністю.
ROMAP вимірюватиме магнітне поле та плазму.
MUPUS вимірюватиме температуру на і під поверхнею.
CONSERT спробує побудувати нутрощі комети протягом одного повного оберту.

За цей час оператори розберуться, що там і як із апаратом, зокрема, як із енергопостачанням від сонячних батарей. Розібравшись із його положенням, після завершення автоматичних вимірів із списку вище, буде віддано команду переорієнтуватися для оптимальної генерації електроенергії.

Наступним кроком буде дослідження складу поверхні. SD2 займеться добуванням зразків, в той же час COSAC і PTOLEMY слідкуватимуть за газами, що виділяються в процесі. Буде добуто два зразки, один для COSAC, один для PTOLEMY. В цей же час SESAME досліджуватиме пилюку, що осідає назад, на комету. Далі вступить MUPUS, почавши забивати свою трубку із датчиками. Акустичні сенсори SESAME/CASSE прислухатимуться до вібрацій, що при цьому виникають. Ввімкнено буде і APXS та SESAME/PP.

Якщо енергії буде достатньо і спускний апарат збереже достатньо функціональності, дослідження продовжуватимуться, виконуючи так-звану довготривалу програму: long-term science (LTS). Ця програма включатиме дещо складніші задачі: дослідження змін властивостей комети із часом та наближенням до Сонця, пошук "кометотрусів", пошук амінокислот, побудову "томографії" комети.

В принципі, сам апарат особливих обмежень на її тривалість не накладає. Однак, розрахунки показують, що через наближення до Сонця, до середини березня 2015, температура всередині досягне критичних значень і апаратик вийде з ладу.

Нарешті, 15-го серпня було оголошено заплановане місце посадки, (відоме під кодовим іменем Site J). Детальніше я писав вчора: "Розетта": працюємо -- 1, вибрано місце для Philae, після слів "Нарешті, остання важлива новина".

3D-модель комети. Показано заплановане місце посадки (Site J) та його "дублер", Site C.
(c) ESA / Rosetta / DLR / MPS for OSIRIS Team MPS / UPD / LAM / IAA / SSO / INTA / UPM / DASP / IDA

Посилання