Записки дилетанта: Місія New Horizons

вівторок, 14 липня 2015 р.

Місія New Horizons

"New Horizons". (c) NASA

Плутон давно приваблює дослідників, особливо після того, як в 1989 Voyager-2 відвідав Нептун і Плутон залишився останньою планетою, де не бували земні роботи. Звичайно, первинним тут було не "колекціонування", а науковий (і трішки -- технічний) інтерес. Детальніше про останній -- див. "Плутон, до "New Horizons"", розділ "Фото".

Однак, дорога до нього була тернистою --- місії багато раз відміняли, навіть переможця, "наш" New Horizons, довелося відстоювати не раз. Детальніше на цій сторінці історії не зупинятимуся, за подробицями див. там же, посилання у виносці "(**)", а також вступ та історію на Вікі.

Тут зосередимося на тому, що це за Автоматична міжпланетна станція (АМС), що вона може і на які результати можна очікувати.

Спочатку --- про віддалі. Станцію запущено в 2006 році, при запуску вона стала найшвидшим запущеним землянами об'єктом, по дорозі отримала "копняка" від Юпітера, тому змогла досягнути Плутона всього лиш за дев'ять з половиною років. А Плутон знаходиться всього лиш на внутрішній межі поясу Койпера.

Тепер детальніше:

Будова

Розташування приладів АМС New Horizons. (с) NASA / JHUAPL

На вигляд --- трикутна призма, розміром 0.7 х 2.1 х 2.7 метрів. Плюс антена, плюс RTG.

Монтаж. Людина не тільки виконує свою роботу, але і служить масштабом. (c) JHU
Згадана направлена антена має діаметр 2.1 м.
Маса, на момент запуску -- 478.4 кг.
Структура збиралася навколо центрального циліндра, до якого кріпилося все решта -- титановий бак, "полички" для апаратури, тощо. Він же служив інтерфейсом до ракетоносія.
В рамках традиційного бажання зменшити масу, широко використовувався алюміній, зокрема, у вигляді панелей із алюмінієвих комірок -- для забезпечення жорсткості. Елементи, що вимагають особливої міцності -- бак, кріплення RTG, тощо, виготовлялися з титану.

Схема будови New Horizons. Клікабельно. (c) JHU

Корпус закритий (тоненькими плівками -- товщиною, як два листка паперу, але складної структури), для збереження тепла в холодних частинах Сонячної системи. Єдиний спосіб втрати тепла в космосі -- випромінювання, конвекція чи теплообмін там відсутні --- немає чим. Тому ізоляція спроектована так, щоб це випромінювання не випускати.
Для охолодження в жарких -- поруч із Землею, доводилося обмежувати використання приладів, перенаправляти частину енергії до спеціальних зовнішніх радіаторів та користуватися спеціальними "жалюзями", як в давні часи. Як тільки стало холодно, енергію від радіаторів перенаправили до нагрівачів всередині. Нагрівачами керує автономна система -- незалежна від центральних комп'ютерів, працюватиме, підтримуючи оптимальну температуру, навіть під час збоїв.
Взагалі, робоча температура -- 10-30С.
Поміж іншого, корпус служить для захисту електроніки від радіації RTG, який, все ж, зовсім близько. Цю ж функцію виконує бак --- критична електроніка розташована з протилежного боку відносно нього. Паралельно тепло від RTG не дає замерзнути паливу.
Так як станція повинна працювати, як будучи орієнтованою відносно трьох осей, так і відносно двох, закрученою навколо осі Y --- для стабілізації (як колись "Піонери"), розподіл ваги повинен бути таким, щоб головний момент інерції був на тій же осі, що і направлена антена. Це дуже ретельно контролювалося, відбувалися чисельні тести на закручування, додано спеціальні вантажики там і сям.

Двигуни та система орієнтації

Станція може бути стабілізованою як відносно трьох осей -- під час роботи, проведення спостережень, так і відносно двох, розкрученою, для стабільності, навколо осі Y -- під час перельотів.
Паливо -- 77 кг гідразину, що дає можливу зміну швидкості, так зване delta-v, в 290 м/с.
16 двигунів, 4 із зусиллям 4.4Н і 12 з 0.9Н. Слабші, в основному, використовуються для орієнтації та розкрутки-зупинки обертання, сильніші --- для корекції траєкторії. Двигуни зібрані у кластери, дублюючись.

Осі станції та розташування двигунів. (c) NASA/JHU
Гіроскопів (reaction wheels) немає.
Бак один, паливо витискається гелієм.
Всі двигуни обладнані своїми нагрівачами -- щоб забезпечити каталітичне розкладання гідразину. До кожного проведено свій паливопровід із незалежними "краниками". Детальніше див., наприклад, тут, розділ "Propulsion & Attitude Control System".
Для орієнтації використовує два зоряних датчики -- спеціальних камери та два датчики сонця. Крім того, присутні два (дублювання!) інерційних вимірювальних пристрої (MIMU), кожен із яких містить по три твердотільні акселерометри та гіродатчики. Частота вимірів -- 100 Гц.
Зоряний датчик десять раз на секунду фотографує небо, (частота 10 Гц), порівнює результат із каталогом із 3000 відомих зірок, визначаючи орієнтацію станції.
Датчики Сонця дещо відрізняються між собою --- один детектує прохід Сонця в полі зору, (Sun Pulse Sensor), даючи інформацію про частоту обертання, а інший, Fine Sun Sensors, дозволяє визначити положення Сонця із великою точністю -- для наведення на Землю у випадку важких збоїв і переходу в безпечний режим (safe mode events) -- з типової робочої віддалі Сонце та Земля практично поруч.
Сумарно, в 3-осьовому режимі, точність визначення орієнтації -- +/-471 мікрорад, в закрученому --- орієнтація відома із тією ж точністю, а кут відносно осі обертання -- +/- 5.3 мілірад.
Типова частота обертання в 2-осьовому режимі -- 5 обертів на хвилину.
Детальніше про режими орієнтації станції див. тут, розділ "Attitude Control Modes".

Електропостачання

Живлення -- 247 Ват на момент запуску, 202 Вт біля Плутону (плутоній -- каламбур вийшов, в RTG розпадається, самі перетворювачі деградують). Для повноцінної наукової роботи йому потрібно 176 Вт. Станом на 2021рік (приблизний період наступної місії біля об'єкту з поясу Койпера), залишиться 182 Вт. (Зафіксоване падіння -- 3.3 Вт/рік).
Мінімальна необхідна потужність, для функціонування критичних систем, комп'ютера та передавача одночасно -- 160Вт.
Живиться від радіоізотопного термоелектричного генератора, RTG, моделі GPHS-RTG -- "запасного" від Cassini, який містить 9.75 кг плутонію-238, (за іншими даними -- 10.9 кг). Батареї на борту немає. Це не дуже велика проблема, RTG дає цілком передбачувану потужність, хоча енергомісткі операції доводиться планувати акуратно.
Сам RTG важить 57 кг і має діаметр 0.42 м та довжину 1.14 м. Для мінімізації впливу на апаратуру, він розташований на протилежній до неї стороні корпуса.
New Horizons --- 27 місія НАСА, що використовує RTG.
На проектну потужність, 285 Вт, вийти не вдалося, через недостачу плутонію -- він для АМС був закуплений в Росії та змішаний із залишками власного, який, через вік в 20 років, встиг вже помітно розпастися. (Мова про перезапуск виготовлення власного плутонію в США йде давно -- НАСА без нього дуже важко...) Тому електроенергію доводиться економити, зокрема, не всі прилади вдається ввімкнути одночасно.
Сумарне тепловиділення RTG -- 3 948 Вт на момент запуску, те, що не перетворюється на електроенергію, доводиться випромінювати в космос (частину використовуючи для обігрівання станції).
Не зважаючи на те, що RTG виготовлено здатним перенести будь-яку можливу катастрофу ракетоносія, істерики поміж екологічно-стукнутих були. (Ремарка: я повністю підтримую обережне і виважене ставлення до нашого навколишнього середовища. Особливо із поправкою на бездумне і трохи безумне його використання в 20-му столітті. Але ж більшість тих еко-істерик просто безглузді... Ну, тут не час і не місце для цієї теми.)
Система керування перерозподілом енергії (Power Distribution Unit) використовує для взаємодії із центральним процесором шину 1553, а для критичних даних та команд --- UART. :-)
Якщо напруга, від номінальної 30В, паде нижче 28.5В, система починає автоматично відключати менш важливих споживачів, після 27В відключаються не-критично важливі пристрої.
Детальніше див. тут, розділ "Electrical Power System".

Комп'ютер

Бортовий комп'ютер продубльовано двома однаковими модулями (Integrated Electronics Modules).
Кожен використовує 32-бітний процесор Mongoose-V, ("Мангуст-5") захищений від радіації варіант MIPS R3000, котрий працює на частоті 12 МГц! Перший політ в 2000 році.
Безпосередньо має доступ до 16Мбіт оперативної пам'яті.
Постійна пам'ять даних, Solid State Recorder --- 64Гбіт або 8Гб. Традиційно --- дві штуки, дублювання. Максимальна швидкість запису наукових даних -- 13Мбіт/с. Після запису на SSR, дані можуть архівуватися для подальшої передачі на Землю.
Багато функцій перекладено на периферію, наявна помітна автономія систем -- для забезпечення безпеки станції під час збоїв.
Зауважте --- надсучасні CPU не літають! Згаданий R3000 вийшов в 1988. Сучасні, з одного боку, занадто тендітні щодо впливу радіації, через малі розміри елементів, з іншого --- замало тестовані для таких відповідальних операцій. Зате не дивно, чому він перевантажився, одночасно архівуючи дані, завантажуючи команди і передаючи на Землю отримані дані.
Продуктивність CPU -- 15 MIPS (наочна ілюстрація, що частота і продуктивність -- різні речі!). 2Кб кешу інструкції, 4Кб кешу даних, пропускна здатність шини -- 480кбіт/с, 768Кб пам'яті макрокоманд, які можуть містити цілі послідовності дій, які можуть виконуватися як негайно, так і у вказані моменти часу (до 512 таких команд).
Спеціальні системи слідкують за роботою активного комп'ютера, за потреби переключаючи роботу на резервний (і переходячи в безпечний режим). Детальніше див. тут, "Command and Data Handling".
Взагалі, у системі закладено величезний рівень автономії на випадок різноманітних критичних ситуацій -- пінги, тривалістю багато годин, це проблема. :-) Детальніше див. тут, "Command and Data Handling" --- доволі повчально!
Важливим елементом системи є ультра-стабільний осцилятор, (USO, 30МГц), котрий служить "точкою відліку" для радіо-обладнання та із величезною точністю генерує імпульси кожної секунди, які служать для відліку часу.
Хи-хи, для керування так-званими Remote Input/Output units, що передають дані від периферії, використовується I2C. Для обміну даних -- шина 1553. Багато з якою периферією взаємодіє по RS-422.

Зв'язок

Зв'язок -- на частоті X band, передавач потужністю 12 Ват. І передавачі, і приймачі, і підсилювачі продубльовано. При чому, одночасно можуть передавати обидва канали, подвоюючи швидкість передачі даних (правда, якщо є вільна потужність в 2х12 Ват).
Станція обладнана однією направленою антеною (High-Gain Antenna), діаметром 2.1 м, (промінь має кутову ширину 0.3 градуси), однією слабо-направленою антеною (Medium Gain Antenna), діаметром 30 см (14 градусів) та двома ненаправленими (Low Gain Antennas) -- з різних сторін корпусу, для повного охоплення.
Для роботи слабо-направленої антени, на "робочих" віддалях, достатньо направити антену на Сонце, ненаправлені антени реально використовувати лише на самому початку місії, в межах 1 а.о. від Землі.
Після Юпітера для зв'язку використовуються лише 70-метрові антени DSN.
Швидкість передачі 38 кбіт/с на віддалі Юпітера, ~1 кбіт/с в околицях Плутона. (Тому, а) біля Юпітера він зібрав більше даних, ніж збере біля Плутона, б) передавати останні буде 16 місяців!)
Якщо строго, на віддалі 36 а. о., HGA дає швидкість 600 біт/с на канал (які відрізняються поляризацією -- один право-поляризований, другий ліво-поляризований).
На загал, станція здатна передати всі дані з Плутона (5 Гбіт + архівація) протягом 172 днів, із розрахунку 8 годин сеансів зв'язку 70-м антен в добу. Якщо електроживлення станції дозволить весь час використовувати два канали, час може скласти 88 днів.
Практично, заплановано, що передача займе 16 місяців -- очевидно, і для дублювання, і великі антени матимуть також інші задачі.
Сама по собі, система зв'язку є важливим науковим та інженерним інструментом --- вона дозволяє як дуже точно визначити швидкість станції вздовж променя (завдяки ефекту Доплера), так і віддаль до неї (негайно передаючи отриманий сигнал назад), з точність 10 м на віддалі 10 а.о.! (Відносну похибку порахуйте самі!)

Символіка

Люди залишаються людьми. :-) Крім апаратури, апарат несе в собі ряд сентиментальних дрібничок:

Частка попелу (30 грам) покійного першовідкривача Плутона, Клайда Томбо та пам'ятний надпис: "“Interned herein are remains of American Clyde W. Tombaugh, discoverer of Pluto and the solar system’s ‘third zone’ Adelle and Muron’s boy, Patricia’s husband, Annette and Alden’s father, astronomer, teacher, punster, and friend: Clyde W. Tombaugh (1906-1997).”":

Контейнер із попелом Клайда Томбо та підписом. Взято тут.
CD-ROM “Send Your Name to Pluto” з іменами більше ніж 434 000 людей, включаючи моє. :-)
CD-ROM з фото та повідомленнями учасників наземної команди АМС.
Пам'ятні монети штатів Флорида (звідки New Horizons було запущено) та Меріленду, (де її було виготовлено).
Фрагмент SpaceShipOne із підписом: спереду "“To commemorate its historic role in the advancement of spaceflight, this piece of SpaceShip One is being flown on another historic spacecraft: New Horizons. New Horizons is Earth’s first mission to Pluto, the farthest known planet in our solar system.”", ззаду: "SpaceShip One was Earth’s first privately funded manned spacecraft. SpaceShip One flew from the United States of America in 2004.".
Два прапори США.
Славнозвісна марка 1991-го року, “Pluto: Not Yet Explored”:

Детальніше див., наприклад: "Did You Know There are 9 Secret Items Hidden on Pluto Mission New Horizons?".

Звичайно, більшість цих об'єктів, паралельно служать для балансування станції (див. вище, про стабілізацію) -- не є просто зайвим вантажем.

Крім того, існує ще такий проект: "New Horizons One Earth Message" -- ініціатива зберегти в пам'яті New Horizons повідомлення для інопланетян, аналогічне тим, що були на "Піонер-10" та "Піонер-11" і "Вояджерах", звичайно, після того як його активна місія завершиться, але створене колективно, а не компактною групою науковців.

Політ

Запущено 19 січня 2006, 19:00 UTC (9 років, 5 місяців, 23 днів тому, на момент написання).
Ракетоносій Atlas V 551, стартова вага -- 570 тон. Перший політ Atlas V із 5-ма твердотіловими прискорювачами та третьою ступінню.
Надана швидкість відносно Землі -- 16.26 км/с, рекордно велике значення. Одночасно, перший запуск, із швидкістю, достатньою для подолання Сонячної гравітації --- решта чотири місії, що покинули Сонячну систему, отримали потрібну енергію в результаті гравітаційних маневрів.
20 січня 2006, 04:00 UTC пролетів повз Місяць, на мінімальній віддалі 189 916 км.
13 червня 2006, 04:05 UTC, пролетів на віддалі 101 867 км біля астероїда 132524 APL. Запланованим це не було, лише в травні 2006 виявили, що пролітатимуть повз нього, вирішили скористатися нагодою.Хоча деталей майже не видно, визначили діаметр, 2.5 км, та тип -- S.

132524 APL, фото New Horizons. Камера MVIC/Ralph --- для LORRI Сонце було заблизько. Взято тут.

28 лютого 2007, 05:43:40 UTC, пролетів на мінімальній віддалі до Юпітера, 2 300 000 км. Звичайно, сам проліт не був миттєвою подією, дослідження тривали 4 місяці.

Юпітер, 8 січня 2007, (місяць до найбільшого наближення), 81 млн км, LORRI. Праворуч видно Іо.
(с) NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute

З одного боку, проліт послужив репетицією наукової місії в системі Плутона. З іншого, під час прольоту було повернено помітно більше даних, ніж очікується від Плутона --- Юпітер багато ближче, зв'язок сильно спрощений.

Юпітер, в інфрачервоному світлі. 05:58 UTC, 27 лютого 2007, на віддалі 2.9 млн км, LEISA/Ralph, New Horizons. Зображення в штучних кольорах, вихідні фото було зроблено в 250 інфрачервоних смугах від 1.25 до 2.5 мікрон, тут за червоний взято 1.28 мкм, зелений -- 1.30 мкм, синій -- 1.36 мки. Овал праворуч-по центру --- Велика Червона Пляма.
(c) NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute

В результаті гравітаційного маневру в полі Юпітера отримав додаткових 4 км/с до швидкості. [Перш ніж додавати вихідну швидкість із додатковою, згадайте, що через перехід кінетичної енергії станції в потенційну, в полі тяжіння Сонця, її швидкість відносно Сонця постійно зменшується.]

Паралельно, було отримано багато цінних даних про сам Юпітер, його магнітосферу та супутники. Колись треба буде окремо написати про цей проліт.

Виверження вулкану на Іо. 11:04 UTC, 28 лютого 2007, віддаль 2.5 млн км, приблизно 12 км на піксель, LORRI. Висота викиду -- 290 км! Ліворуч -- ще один, менший, 60 км, симетричний викид. Світла плямка, внизу, трішки праворуч від термінатора -- третій викид, достатньо високий, щоб його підсвітило Сонце. Бурхливе місце той Іо. За першої можливості треба буде відвідати.
Подробиці та фото інших супутників див. тут: Gallery of Jupiter Images from New Horizons.

Зовсім скоро, за лічені години, 14 липня 2015, 11:49:57 UTC --- мінімальна віддаль до Плутона, 12 500 км.
Стартове вікно відкрилося 11 січня 2006, але різноманітні затримки затягнули аж до 19-го. Стартове вікно було також в лютому 2006, і повторювалося в лютому 2007, але тільки запуск протягом 33 днів після 11 січня можна було досягнути Юпітера для гравітаційного маневру. В іншому випадку дорога до Плутона зайняла б на 2-4 роки більше.
Орбіту Сатурна перетнув 8 червня 2008, Урану -- 18 березня 2011.
Після відкриття 4 і 5 супутників Плутона, науковці 18 місяців проводили додаткові дослідження та оцінювали ризики зіткнення із сміттям, що може літати в околицях Плутона. Було оцінено, що шанс катастрофічного зіткнення менший за 0.3%, тому плани змінювати не стали.
Значну частину часу, особливо після прольоту Юпітера, станція проводить в режимі глибокого сну, для економії ресурсу станції та коштів і часу антен DSN на Землі.
В липні 2012 року, не виходячи із глибокого сну, прилади SWAP, PEPSSI і SDC (див. далі), почали збір даних (дані передавалися під час періодичних прокидань, скажімо -- в січні 2013, під час трьох-тижневих тестів).
Теоретично можливі спостереження троянців Нептуна (із великої віддалі, 1.2 а.о.) було проігноровано на користь підготовки до зустрічі із Плутоном.

В подальшому планується відвідати мінімум ще одне тіло із поясу Койпера, наперед воно відоме не було -- пошуки ведуться, хоча проходять вони важко, але один кандидат вже є (PT1). Можливо, будуть і кращі кандидати (скажімо, PT3, ще один потенційний кандидат, PT2 вже відпав).

Пошук можливих цілей для New Horizons. Блакитні лінії -- орбіти планет, біла -- орбіта Плутона, оранжева -- потенційної цілі, PT1 (2014 MU69). Оранжеві точки -- відомі "холодні" тіла поясу Койпера (такі, чию орбіту не змінив помітно Нептун), білі -- астероїди та інші тіла поясу Койпера.
Діаметр цього кандидата, PT1 -- 30–90 км, зустрів може відбутися в січні 2019, на віддалі 43.4 а.о. від Сонця.
(c) Alex Parker

На жаль, через обмежену кількість палива, яка залишиться після Плутона, знайти такі об'єкти не просто --- конус, в якому вони повинні знаходитися, має кут при вершині лише 1 градус, а максимальна віддаль обмежена 55 а.о. --- після цього зв'язок буде занадто утрудненим, а RTG занадто деградують. Пошук ускладнено тим, що потрібна область "дивиться" в сторону Молочного шляху і потенційні мішені губляться поміж чисельних зірок.
Крім того, планується здалеку роздивитися ще з десяток тіл -- звичайно, розділити їх -- побачити якісь елементи поверхні, не вдасться, але цінну інформацію, типу кривих блиску та факту наявності супутників, все рівно можна буде отримати. Перше таке дослідження вже відбулося --- спостерігався 2011 KW48 (2011 KW48) в січні 2015, на віддалі 0.5 а.о. (75 млн км). Станом на "зараз", заплановано ще два таких спостереження, після прольоту, в липні-серпні.
Поточна швидкість АМС відносно Сонця --- 14.53 км/с, відносно Плутона 13.80 км/с. (Роздивлятися доведеться швидко-швидко...). Летить в сторону сузір'я Стрільця.
Однак, "Вояджери" New Horizons не обжене -- вони отримали додаткову енергію під час гравітаційних маневрів біля Юпітера та Сатурна. Скажімо, на віддалі 100 а.о. він матиме швидкість 13 км/с, на 4 км/с менше, ніж "Вояджер-1" мав на цій же віддалі (17 км/с), та й "Вояджер-2", дещо повільніший від свого брата, теж швидший --- 15.4 км/с. (Поточні положення та швидкості див. тут.)
Радіосигнал до Землі, в одну сторону, летить 4.5 годин! (Туди-назад -- 9!) (Якщо точніше, в момент прольоту, 4 години, 25 хвилин, 15.5 секунд).
Програму дослідження див. нижче, після опису приладів --- без нього її важче зрозуміти.

Наукові прилади

Найважливішою частиною станції є її наукові прилади. Все оте так багатослівно описане вище, потрібно з однією ціллю -- доставити прилади до Плутона, забезпечувати їх функціонування в його околицях та передати результати назад. Розглянемо їх.

Розташування наукових приладів New Horizons.
(c) JHU/SwRI

Тут дано відносно коротку характеристику, дуже детальний огляд див.: "New Horizons - Instrument Overview" на Spaceflight101.

Alice – Ultraviolet Imaging Spectrometer

Alice -- ультрафіолетовий спектрометр, що здатен будувати зображення. Чутливий в діапазоні 46.5 - 188 нм. Просторова роздільна здатність --- 5 мілірадіан на піксель, спектральна -- 3.6 Ангстрем.

Основне призначення --- вивчення атмосфери Плутона, елементів та молекул, що в ній є, її просторової структури --- густини і температури, в залежності від висоти, та швидкості витікання в космос. Для своєї роботи, поміж іншого, використовуватиме сонячне світло, що пройшло через атмосферу. Так як інструмент працюватиме в той же час, що і відбуватимуться дослідження затінення радіосигналу Плутоном, один із його "входів" повернено так, щоб коли антена дивиться на Землю, зразу після прольоту, він дивився на Плутон.

Має два канали, Airglow Channel, AGC -- для спостереження за власною емісією атмосфери та Solar Occultation Channel, SOC --- для аналізу світла Сонця чи яскравої зірки, що пройшло скрізь атмосферу. Апертура першого -- 40х40 мм, другого -- кругла, 1 мм діаметром. Той чи інший промінь (з котрогось із каналів) потрапляє на параболічне дзеркало (41х65 мм), яке збирає його та направляє на тороїдальну голографічну дифракційну ґратку, котра розбиває промінь на спектр, перенаправляючи до детектора. Поле зору першого каналу -- 2х2 градуси, другого -- 0.1х4 градуси. Однак, див. далі -- його зображення просторово одномірні!

Роздільна здатність детектора -- 1024 на 32, де 1024 -- спектральна вісь, 32 -- просторова. Однак, із 32 світло паде тільки на 22, решта використовуються для калібрування. Тобто, сам по собі дає одномірні зображення.

Контролюється процесором Intel 8052, що працює на частоті 4МГц, з 32Кб локальної пам'яті, 128Кб пам'яті для зображень, 32Кб SRAM і 128Кб EEPROM. Для передачі службової телеметрії використовує RS-422.

Маса -- 4.5 кг, 20х41х12 см, споживає 4.4 Вати.

Є вдосконаленим і дещо зміненим варіантом однойменного приладу "Розетти" -- додано другий канал, змінено, відповідно задачам, спектральний діапазон. Детальніше (багато детальніше!) див. тут.

Ralph, який складається із двох під-інструментів, MVIC and LEISA

Телескоп інфрачервоного та видимого світла, складається із двох частин, які користуються спільною оптикою.

Апертура телескопа --- 75 мм, фокальна довжина -- 658 мм.

Детектори пристрою одномірні, тому побудова зображення вимагає повертати цілу станцію. (Так-званий pushbroom design).

MVIC --- "multispectral imager", з 5-ма каналами, на частотах від 400 до 975 нм (видимий діапазон, нагадаємо --- 380 - 750 нм) та просторовою роздільною здатністю 20 мікрорадіан на піксель. Канали є наступні --- панхроматичний (монохромний), блакитний, червоний, лінія метану, інфрачервоний (зауважте відсутність зеленого каналу --- природні для людини кольори доводиться відтворювати з допомогою певної інтерполяції).

Призначений отримати кольорові карти Плутона та Харона із роздільною здатністю кілометр на піксель. З їх допомогою можна буде побудувати геологічні карти. Виконуватиметься стереоскопічне фотографування та фотографування нічної сторони, для уточнення радіусу небесних тіл, пошуку хмар, туману в атмосфері та кілець в системі.

Містить сім CCD детекторів. Роздільна здатність шести із них --- 32 х 5024 пікселів, сьомого --- 128 х 5024 пікселів. Широка сторона --- одна лінія зображення, спеціальний підхід (Time Delay Integration) синхронізує зчитування рядків короткої сторони із обертанням станції, збільшуючи відношення сигналу до шуму для кожного пікселя.

Два із детекторів -- панхроматичні, дублювання збільшує роздільну здатність вдвічі, чотири --- "кольорові", по одному на канал. Ще один, більший, (128х5024), використовується для оптичної навігації.

Для отримання зображення MVIC станція повинна обертатися з кутовою швидкістю 1600 мікрорадіан/с для панхроматичного і 1000 мікрорадіан/с для "багатоспектрального" -- кольорового, фотографування, що відповідає часу інтегрування 0.4 і 0.6 секунд, відповідно. Система орієнтації достатньо зграбна, щоб розмиття було меншим 1/4 розміру одного пікселя за час інтегрування.

Поле зору кожного із перших шести --- 5.7 х 0.037° (в сьомого -- 5.7 х 0.15°). При фотографуванні Плутона, 4600 пікселів займатиме зображення, більшість решти -- запас на помилки наведення. Хіба що, по 12 пікселів з кожної сторони використовуються для калібрування.

LEISA --- інфрачервоний спектрометр, здатний будувати зображення, у трьох спектральних лініях, з довжиною хвилі світла в діапазоні 1.25 - 2.5 мкм, поле зору 0.9 х 0.9 градусів.

Призначення --- вивчення складу та температури поверхні. Зокрема, картографуватиме поверхневе розташування води, метану, льоду азоту, вуглекислого та чадного газів, і т.д.

Сенсор --- 256 х 256 пікселів. Для отримання зображення зразу в декількох спектральних лініях використовується хитра техніка, детальніше див. тут. Потребує обертання станції з кутовою швидкістю 120 мікрорадіан/с за зчитування кадрів із частотою 2Гц, але може працювати на частотах від 0.25 до 8Гц, підлаштовуючись під різні режими обертання.

Пристрій вимагає охолодження для своєї роботи, тому температура Ralph підтримується на рівні 220K, MVIC додатково охолоджується до 175K, а сенсор LEISA -- до 130K або менше.

Передбачено засоби для калібрування "продуктивності" пікселів, користуючись сонячним світлом. Цей же механізм дозволить Ralph отримати вертикальний профіль атмосфери разом із Alice.

Спеціальна контрольна плата передає дані та отримує команди безпосередньо від центрального процесора станції.

Передбачено повне дублювання всіх елементів.

Маса Ralph -- 10.5 кг, споживає 7.1 Ват.

LORRI – Long-Range Reconnaissance Imager

Головна камера. Монохромна (панхроматична). Чутлива до світла в діапазоні 350 - 850 нм, має дуже високу роздільну здатність, 5 мікрорадіан на піксель. Фактично, камера являє собою телескоп (як і спектрометри вище), цього разу -- системи Річі-Кретьєна. Діаметр головного дзеркала -- 20.8 см, фокальна довжина 263 см, поле зору -- доволі вузьке, 0.29 х 0.29 градуси. Розроблений працювати в умовах, де освітлення --- лише одна тисячна від того, що є поруч із Землею. При чому, великі витримки камері не доступні, через нестабільність станції, яка орієнтується виключно двигунами, без гіроскопів.

Призначення --- картографування поверхні. Є надія, що вдасться роздивитися структури розміром більше 100 м на Плутоні і більше 260 м на Хароні.

Детектор --- CCD, 1024 х 1028 пікселі, з 4-ма стовпцями для калібрування. Кожен піксель представлено 12-ма бітами. Швидкість читання пікселів --- 1.5 МГц.

Доступна витримка від 1 мілісекунди до 29.9 секунд, типово використовується 20-200 мс.

Система контролю базується на RTX2010RH та FPGA, (в Інеті пишуть FPGA RTX2010RH, але він НЕ FPGA, принаймні в документації про це не згадується, може який кастомний варіант, або просто помилка). Для телеметрії і команд використовує все той же RS-422. (Для передачі зображень може використовувати його, або іншу шину, LVDS). Система здатна автоматично визначати гістограму зображення і підлаштовувати витримку так, щоб не було перенасичення. Має хитрий режим, коли покази з 4х4 сусідніх пікселів об'єднуються в один, даючи вищу чутливість ціною втрати роздільної здатності. Детальніше див. тут.

Маса -- 8.6 кг, з яких 5.6 кг -- оптика, споживає 5 Ват, плюс до 10 ват потребують обігрівачі.

REX -- Radio Science Experiment

Експеримент, який може використовувати антену АМС і відповідну електроніку для отримання профілю температури і тиску атмосфери та вивчення структури іоносфери Плутона. Також, шукатиме атмосферу в Харона. Чутливість -- 3К та 0.1 Па, відповідно.

Працює наступним чином -- приймає сигнал, частотою 7.2GHz (4.2 см) із Землі, вимірюючи його ослаблення та модифікацію внаслідок проходження через атмосферу на різній висоті. Зазвичай, робиться навпаки --- сигнал посилає станція, а ловлять його на Землі, але через велику віддаль, тут такий підхід був неможливим. Крім того, прилад може реєструвати слабеньку радіоемісію планети та її великого супутника.

Комбінація вимірів затемнення сигналу та його шляху в дві сторони, дозволить виміряти масу Плутона з точністю 0.01% та уточнити відношення маси Плутона до маси Харона. Взагалі, за його допомогою можна дуже точно визначити напрямок швидкості, даючи можливість розділяти у вимірах масу Плутона та Харона.

Під час перельотів може також використовуватися для вивчення сонячного вітру, міжпланетної плазми та сонячної корони.

Додаткова вага -- всього 160 грам, плата, здатна записувати та перетворювати у потрібну форму радіосигнал з антени. Детальніше див. тут.

Разом Alice, Ralph, LORRI та REX утворюють так-званий дистанційний пакет приладів, Remote sensing instruments. (Alice і Ralph іноді разом називають PERSI – Pluto Exploration Remote Sensing Investigation.). Їх поле зору наступне:

Поле зору камер та спектрометрів. А -- в стаціонарному режимі, В --- коли станція обертається. Зауважте, що для Alice по вертикалі -- не просторове, а спектральне "поле зору"!
(c) JHU/SwRI

Перейдемо до In-situ інструментів, тих, що вивчають безпосереднє оточення станції.

PEPSSI (Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation)

Спектрометр енергійних частинок, призначений для вивчення іонів, вибитих з атмосфери Плутона та підхоплених сонячним вітром (pickup ions). 12 каналів, для частинок з енергіями приблизно від 1 до 1000 кеВ. Поле зору -- 160 х 12 градусів.

Спектрометр часу прольоту. Якщо більш точно, може фіксувати електрони з енергією від 25 кеВ до 500 кеВ, іони --- від 0.700 кеВ до 1МеВ, іони CNO --- 15 кеВ - 1.2 МеВ, протони -- 40 кеВ - 1 МеВ.

Плата керування передає дані станції шиною RS-422.

Маса 1.5 кг, споживає 2.3 Ват. Детальніше див. тут.

SWAP (Solar Wind at Pluto)

Аналізатор сонячного вітру. Чутливий до низькоенергетичних частинок, з енергіями 35 еВ -- 7.5 кеВ. Поле зору --- 276 х 10 градусів. Може "довертати" іони, що прилітають під кутом, меншим 15 градусів.

Керується процесором славнозвісної серії 8051, на частоті 4.9 МГц, (0.4 MIPS), для обміну даних використовує RS-422.

Маса 3.4 кг, споживає 2.8 Ват. Детальніше див. тут.

Venetia Burney Student Dust Counter

Датчик зіткнення із частинками, із масою більше пікограма і менше нанограма (іншими словами, радіусом 1-10 мкм). Удари важчих частинок теж може детектувати, але не може визначити їх масу. Площа сенсора -- 0.1 \(м^2\)

Працював більшу польоту. Розроблений студентами -- перший такий прилад на американській АМС. Обробкою даних займаються спеціалізовані FPGA та процесор Atmel 80C32E.

Розроблений так, що може працювати до 500 днів, не зв'язуючись із центральним процесором -- це дозволило отримувати дані і під час глибокого сну. У зв'язку із цим володіє помітною автономією.

Вперше проводить такі дослідження на віддалі, більшій за 18 а. о. -- з попередниками якось "не зросталося".

Маса 1.9 кг, споживає до 5 Ват. Детальніше див. тут.

Програма досліджень в системі Плутона

АМС летить настільки швидко, що більшість основних досліджень напаковані в проміжок часу від 2.5 години перед прольотом через найближчу до планети точку, до 1 години після. Хіба що, глобальна карта буде базуватися і на зображеннях, отриманих раніше -- доба на Плутоні триває 6.4 земних днів, роздивитися зі всіх сторін за проліт не вдасться. Ну і, інші прилади -- ті, що займаються плазмою, високоенергетичними частинками, пилом, працювали до і працюватимуть після.

Плани досліджень на "прольотний" 2015 рік. Взято тут.

Дослідження поділено на декілька етапів:

Фаза наближення - 1 (Approach Phase 1) -- 180 - 100 днів перед прольотом (6 січня -- 4 квітня 2015 р.), віддаль 226-121 млн км. SWAP і PEPSSI займалися плазмою, LORRI моніторив систему.
Фаза наближення - 2 (Approach Phase 2) -- 100 - 21 днів перед прольотом (4 квітня -- 23 червня), віддаль 121-26 млн км. MVIC включився в роботу, проведено пошук супутників та кілець. Вперше отримано зображення, кращі, ніж вдалося витягнути із даних "Хаббла".
Фаза наближення - 3 (Approach Phase 3) -- 21 - 1 день до прольоту (23 червня -- 13 липня). От-от завершиться [поки м редагував, завершилася]. Віддаль 26-1.2 млн км. Дані для найкращої глобальної карти. (Окремі ділянки буде сфотографовано значно краще! Інакше було б зовсім сумно -- див. останнє фото тут.) PEPSSI і SWAP мають шанс зафіксувати іони з Плутона та сліди bow shock (від взаємодії магнітосфери та атмосфери планети із сонячним вітром). Включаються в роботу LEISA і Alice, пошук хмар, туману, дослідження вітрів.
Фаза близького наближення (Near Encounter Phase) -- день до -- день після (13-15 липня), віддаль менше 1.2 млн км. Основні спостереження.

План роботи АМС під час прольоту. Час вздовж осі x складає 5 годин. Взято тут.
Фаза відбуття - 1 (Departure Phase 1) -- 1 - 21 день після прольоту (15 липня -- 4 серпня), віддаль 1.2 -- 24 млн км. Спостереження за Плутоном та Хароном "ззаду", протягом однієї місцевої доби. Фотографування Нікти і Гідри з великим фазовим кутом, пошук кілець. SWAP і PEPSSI займуться дослідженням магнітного хвоста та захоплених іонів, REX вимірюватиме нічну температуру на поверхні.
Фаза відбуття - 2 (Departure Phase 2) -- 21-100 день після прольоту (5 серпня -- 22 жовтня).
Фаза відбуття - 3 (Departure Phase 3) -- 100 - 180 день після прольоту (22 жовтня 2015 -- 1 січня 2016). Дистанційних спостережень Плутона не заплановано.

Детальний план фотографування див. у таблиці тут: "The New Horizons science mission to the Pluto-Charon system is about to begin". В попередній статті: "New Horizons to take new photos of Pluto and Charon, beginning optical navigation campaign", хоч і згідно дещо застарілого плану, показано анімацію активності New Horizons під час підльоту.

Траєкторію прольоту побудовано так, щоб відбулося затемнення радіо-променя із Землі до станції Плутоном та Хароном [увага, зазвичай роблять навпаки, див. прилад REX]. Це дозволить дослідити їх атмосфери (будь в останнього така теж знайдеться), аналізуючи, як вони вплинули на радіосигнал із дуже добре відомими властивостями. Також, буде уточнено розміри планети та супутника. Схожі виміри, користуючись Сонцем, виконає Alice. Паралельно траєкторія дозволяє добре роздивитися цікаві ділянки поверхні та два із менших супутників, Нікту та Гідру.

Взагалі, список задач місії див., наприклад, тут: "New Horizons: Pluto system encounter".

12-13 липня станція передала на Землю "аварійні" дані -- на випадок, якщо не переживе проліт, зокрема, кращі на цей момент фото Плутона та Харона в кольорі (MVIC), та кращі фото Харона (LORRI) --- шириною 160 пікселів на диск. На початку 14-го (03:15 UTC) ще трішки відволічеться, передавши краще наявне фото Плутона (3.8 км на піксель, диск шириною 630 пікселів).

Протягом прольоту мінімальні віддалі до різних тіл системи будуть наступними:

13 700 до Плутона
29 500 до Харона
22 000 до Нікти
77 600 до Гідри

Кращу роздільну здатність, яку вдасться досягнути різним приладам, наведено в наступній таблиці:

Краща очікувана роздільна здатність результатів різних приладів. Дужками виділено випадки, коли тіло займає в полі зору даного приладу менше пікселя навіть за найкращих умов. Взято тут.

Вперше після прольоту станція вийде на зв'язок аж 15 червня, 01:09 UTC. В проміжку буде намагатися провести чим більше досліджень. Перші фото з прольоту прибудуть ще через десять годин, близько 11:00 UTC.

Повна вартість станції, за період 2001-2017 складає 720 млн. доларів, включаючи розробку, виготовлення, керування, обробку даних та висвітлення роботи місії.

Отож, побажаємо успіху і очікуємо.