Записки дилетанта: Міссія Rosetta

суботу, 2 серпня 2014 р.

Міссія Rosetta

Малюнок станції. (c) ESA

Чергова космічна станція, на цей раз (вперше для даного блогу) -- європейська, наближається до своєї цілі --- комети Чурюмова-Герасименко (67P/Churyumov–Gerasimenko). До речі, комета відкрита 23 жовтня 1969 року Климом Чурюмовим у Києві, на фото комети 32P/Комас Сола, знятих Світланою Герасименко в Алма-Атинській обсерваторії, у вересні того ж року.

Подивимося, що ж це за станція. Названа вона в честь того самого Розеттського каменю, натякаючи що і вона допоможе розгадати "ієрогліфи" сонячної системи.

Історія розробки тягнеться з початку 1990-х. Спершу це був спільний з НАСА проект, потім, через бюджетні труднощі, НАСА вийшло з проекту і Європа продовжила самостійно. (Космічні програми США в тому плані багато вразливіші --- Європа гроші виділяє неохоче, але як виділила, реалізація проекту від кон'юнктури слабо залежить, а в США -- що президент змінився, чи ще що сталося, давай по новому відміняти....) В деталі історії не вдаватимемося.

Запуск відбувся 2 березня 2004 року, з третьої спроби. До цілі станція летить вже 11 років -- прибуття заплановане на 6 серпня 2014! (Спочатку планувалося запустити 12 січня 2003, до комети 46P/Wirtanen, яку мали досягнути в 2011 році, однак її відмінили через проблеми з ракетою-носієм Ariane 5).

Маршрут станції був довгим і тернистим. Зокрема, щоб досягнути потрібної енергії, виконано купу гравітаційних маневрів. Але і це ще не все --- читайте список далі:

4 березня 2005 --- перший гравітаційний маневр біля Землі. Мінімальна віддаль -- 1954.7 км. Любителям вдалося сфотографувати станцію.
25 лютого 2007 --- гравітаційний маневр біля Марсу. Дуже близько до Марсу! Мінімальна віддаль від поверхні складала 250 км. При тому, апарат аж на 15 хвилин занурювався в тінь планети. Він не розрахований на таке! Справа в тому, що проліт біля Марсу став необхідним через відміну першого запуску, в 2003. Довелося хитрувати. Тому станція була переведена в режим гібернації -- заснула. Жартом це назвали "лотереєю на мільярд євро" ("The Billion Euro Gamble"). Станція вижила, а спускний апарат, про який пізніше, ще й Марс встиг сфотографувати.
13 листопада 2007 станція вдруге відвідала околиці Землі. Що кумедно, якийсь час її вважали астероїдом, навіть надали тимчасову назву, 2007 VN84. Це, зразу, і на тему непомітних візитів НЛО на Землю... Так як мінімальна віддаль була оцінена в 5700 км, а діаметр "астероїда" --- 20 м, (альбедо станції нетипово високе, якщо порівнювати із зазвичай темними астероїдами), навіть почали бояться, чи він не зіткнеться із Землею.
5 серпня 2008 пролітала біля астероїда Штейнс (2867/Šteins). Використовуючи оптичну навігацію (для точного наведення із Землі орбіти таких каменюк занадто слабо відомі), вдалося досягнути мінімальної віддалі 800 км.
Третій раз станція відвідала Землю 12 листопада 2009. Мінімальна віддаль 2481 км.
10 липня 2010 сфотографувала зблизька (мінімальна віддаль 3162 км) астероїд Лютеція (21 Lutetia).
Нарешті, 8 червня 2011 року, станція перейшла в режим стабілізації обертанням і заснула на декілька років (31 місяць), аж до 20 січня 2014! Залізні нерви в тих європейців... Стільки часу не мати можливості контактувати із своїм дорожезним і тендітним апаратом. Причина такого маневру проста --- станція занадто віддалялася від Сонця, щоб енергії від сонячних батарей вистачало для функціювання. От і приспали.
Тим не менше, 20-го січня 2014 станція успішно прокинулася, відтестувала всі свої системи (серйозних неприємностей не сталося), починаючи із 7 травня, виконала серію гальмівних маневрів і станом на 23 липня знаходилася на віддалі 4000 км від комети.
Гальмівний маневр, "рандеву", заплановано на 6 серпня 2014. Після чого ближче будуть підкрадатися обережно -- див. далі.

Траєкторія Розети. (c) wiki
1 — березень 2004: запуск КА
2 — березень 2005: перший проліт повз Землю
3 — лютий 2007: проліт повз Марс
4 — другий проліт повз Землю
5 — вересень 2008: зближення з астероїдом Штейнс
6 — листопад 2009: третій проліт повз Землю
7 — липень 2010: зближення з астероїдом Лютеція
8 — липень 2011: переведення КА в режим сну
9 — січень 2014: пробудження КА
10 — серпень 2014: запланований вихід на орбіту комети
11 — листопад 2014: запланована посадка зонда на поверхню комети
12 — серпень 2015: завершення головної місії

Зауважу, що крім перерахованих вище зустрічей, 4 липня 2005 станція спостерігала зіткнення імпактора місії Deep Impact з кометою Темпель-1, (здалеку). 16 березня 2010, разом із телескопом Хаббла, спостерігаючи за пиловим хвостом астероїда P/2010 A2, показала, що це таки астероїд а не комета.

Відео руху станції:

Перейдемо до її будови.

Загальні характеристики:

Станція складається із двох частин -- орбітального апарату та спускного модуля, Philae (Філе).
Маса під час запуску: ~2900 кг -- орбітальний модуль, 100 кг -- спускний апарат.
Суха маса: 1230 кг, маса палива на момент запуску: трішки більше за 1700 кг, (по іншим даним -- з них 660 кг власне палива і 1060 кг окисника). "Запас ходу" --- дельта-V, складав на момент запуску 2200 м/с.
Вага наукових приладів: 165 кг на орбітальному модулі, 27 кг -- на спускному апараті.
Розмір орбітального модуля: 2.8 × 2.1 × 2 м.
Живлення: 850 ват на віддалі 3.4 а.о. від Сонця, 395 ват на 5.25 а.о.
Електроенергія постачається сонячними батареями. По справжньому величезними сонячними батареями --- станція змушена працювати далеко від Сонця. Батарей дві, кожна має довжину 14 метрів! Загальна площа -- 64 квадратних метри. Віддаль між кінцями сонячних батарей -- 32 метри. Для збереження енергії на борту використовуються NiCd-акумулятори, ємністю 10 Ампер-годин.
Зв'язок: 7.8 кбіт/с (S Band, 5 ват, ненаправлена антена), 22 кбіт/с (X band, 28 ват, гостронаправлена антена). Гостронаправлена антена має діаметр 2.2 метри, її можна направляти окремо від самого апарату. Крім того, наявна фіксована на корпусі "помірно-направлена" антена діаметром 0.8 м.
Станція стабілізована по трьох осях, для стабілізації використовується 24 10-нютонових двигунів. Орієнтація підтримується за допомогою пари зоряних трекерів, датчика Сонця, навігаційних камер та трьох гіроскопів. На жаль, і система двигунів орієнтації і гіроскопи працюють не дуже надійно. В двигунах орієнтації є витікання, що знижують тиск і погіршують ефективність, а гіроскопи сильно вібрують. З врахуванням цього, станцію підготували до роботи на всього лиш двох гіроскопах, замість трьох.
Вартість -- приблизно 1.3 мільярдів євро (враховуючи ціну затримки запуску). Ніби багато. З іншого боку -- половина вартості підводного човна, або вартість трьох пасажирських авіалайнерів, при чому, розтягнута на 20 років. При чому, кошти залишилися на Землі --- в основному це заробітна плата висококваліфікованого персоналу, плюс -- розробка нових технологій, таких як над-ефективні сонячні батареї, які теж активно використовуються тут і зараз. Не говорячи вже про фундаментальну наукову цінність.

Автопортрет. Сонячна батарея, сфотографована спускним апаратом Philae, під час само-тестування, травень 2004.
(c) ESA

Навігаційна камера --- насправді, дві незалежні камери (для забезпечення повного резервування), поле зору --- 5 градусів. Вага: 10.158 кг, необхідна потужність: 16.8 Вт.

Орбітальний модуль

Якась така штукенція:

Схема АМС Rosetta. Деталі -- в тексті. (c) ESA

Наукова апаратура розташована на одній стороні станції, антени -- на іншому, щоб вона могла бути завжди направленою до комети, не перериваючи зв'язку із Землею.

ALICE, (див. також тут) --- Ultraviolet Imaging Spectrometer. Власне, спектрометр, здатний будувати зображення. Працює в далекому ультрафіолетовому світлі, 70--205 нанометрів. Призначення --- дослідження летких газів у ядрі комети, що дасть інформацію про температуру під час формування комети та її подальшої еволюції; охарактеризувати виділення H20, CO, CO2, виміряти кількість C, H, O, N, S, щоб дослідити атомний склад ядра; дослідити, як поведінка ядра змінюватиметься із зміною віддалі до Сонця; тощо. Розмір одного кадру --- 1024 x 32 пікселів, поле зору, щілина спектрографа -- 0.1 x 6.0 градусів. 2.2 кг, 2.9 Вт.
CONSERT ([1], [2]) --- Comet Nucleus Sounding Experiment by Radio wave Transmission. Своєрідний радар. Має компоненти як на орбітальному апараті, так і на спускному. 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.
COSIMA ([1], [2]) -- Cometary Secondary Ion Mass Analyser. Цей пристрій буде виловлювати пилинки з кометної коми і аналізуватиме їх за допомогою мас-спектрометра. Він дозволить визначити елементний та ізотопний склад таких пилинок та його варіацію між пилинками, також можна буде дослідити молекули, які в них трапляються, включаючи органічні. Його конструкція досить цікава. Він містить спеціальний барабан із 25-ма пастками для часток. Пастки виставляються на зовні, потім спеціальний мікроскоп оглядає їх, виявляючи пилинки, із розміром від декілька мікрометрів, та направляє на них іонну гармату (індій-115, енергія 10 КеВ, діаметр пучка 10 мкм), яка вибиває матеріал для мас-спектрометра.
GIADA ([1], [2]) -- Grain Impact Analyser and Dust Accumulator. Теж займається пилюкою. Складається із трьох частин. GIADA 1 вимірює імпульс, модуль швидкості і масу окремих частинок, GIADA 3 вимірює сумарний, кумулятивний, потік пилу в 5-х напрямках, GIADA 2 містить всю необхідну двом іншим приладам електроніку. GIADA 1 складається із двох частин: Grain Detection System (GDS) і Impact Sensor (IS). Спочатку пилинки пролітають скрізь GDS, який створює світлову завісу (товщиною 3 мм) за допомогою 4-х світлодіодів. Спеціальні сенсори реєструють світло, відбите/розсіяне кожною із пилинок. IS реєструє, за допомогою спеціальної пластини, (площею 100 см^2) та п'єзодатчиків, удари пилинок і дає можливість виміряти енергію частинки. Вимірюючи час прольоту частинки скрізь GDS i від GDS до IS, можна також знайти швидкість пилинки, відповідно, знаючи імпульс, вирахувати її масу. GIADA 3 складається з шести сенсорів. Один -- в напрямку до комети, один в протилежну сторону і 4 "по боках". Кут захоплення пилинок кожного сенсору -- близько 40 градусів. Кожен складається із пари п'єзокристалів, з власною частотою близько 15 MHz, вибраних так, щоб вона відрізнялася між ними на 1 кГц. Прилад вимірю зміну частоти одного з кристалів внаслідок акумулювання на ньому пилюки (безпосередньо вимірюються биття між частотами кристалів). Чутливість може досягати до однієї десятимільярдної грама на герц зміни частоти. Призначення цього приладу --- дослідження розподілу розмірів пилинок, частку їх по відношенню до газу, зміну запиленості з часом (і з віддаллю до Сонця), динамічні властивості пилюки та швидкість її втікання з коми. Крім того, цей інструмент дуже важливий чисто інженерно. Він дозволятиме оцінити небезпеку від енергійних пилинок для різних інструментів а також вибрати оптимальне з точки зору критеріїв безпека-наукова цінність, місце для спускного апарату.
MIDAS ([1], [2]) -- Micro-Imaging Dust Analysis System. Що ще біля комети цікавого, крім пилюки? MIDAS буде виловлювати пилинки і будувати їх трьохмірне зображення за допомогою атомного силового мікроскопу. Роздільна здатність -- 4 нанометри. Має 64 своєрідних кремнієвих "предметних скелець". Досліджувані частинки -- від 10 нм до кількох мікрометрів. 8 кг, 7.4 Вт.
MIRO ([1], [2]) -- Microwave Instrument for the Rosetta Orbiter. Специфічний радіоприймач. Може приймати як дуже вузький діапазон частот, так і їх континуум. Головні частоти --- 188 ГГц (довжина хвилі 1.6 мм) і 562 ГГц (0.5 мм), роздільна здатність на віддалі 2 км від ядра, для частоти 562 ГГц -- близько 5 метрів. Здатен відчувати форму індивідуальних спектральних лінії, розширених температурою, до температури 10К. Буде "ловити" переходи в H2O, CO, CH3OH, and NH3 та ізотопи: \(H_2 O^{17}\) i \(H_2 O^{18}\), даючи поширеність, швидкість, температуру та просторовий розподіл кожної із сполук. В режимі вимірювання континууму здатен виміряти температуру ядра аж до глибини в декілька сантиметрів. Це дасть як побудувати глобальну температурну карту, так і співставити орбітальні виміри із вимірами на поверхні. Призначення приладу -- отримати поширеність важливих хімічних елементів, співвідношення їх ізотопів, тощо.
OSIRIS ([1], [2]) -- Optical, Spectroscopic, and Infrared Remote Imaging System. Головна камера станції. Подвійна --- складається із двох камер, вузькокутної та ширококутної, із спільною електронікою. Як видно з назви -- чутлива до інфрачервоного світла. На жаль, обіцяні назвою спектрографічні властивості було викинуто в процесі розробки, тоді ж було звужено доступну інфрачервону ділянку спектру. Кожна із камер має свій барабан світлофільтрів. Кожна із матриць: 2048 x 2048 CCD. Обидві камери потребують 3.5 секунди на кадр, чутливі до світла із довжиною хвилі від 250 до 1000 нм, мають по 14 світлофільтрів. Ширококутна камера -- F/5, система із двох хитрих дзеркал, не-осьова (off-axis), для боротьби із розсіяним світлом, поле зору 12.1 на 12.1 градусів, роздільна здатність --- 100 мікрорадіан на піксель. Фокальна віддаль -- 140 мм, Вузькокутна камера -- трьохдзеркальна, анастигматична. Поле зору 2.35 на 2.35 градусів, роздільна здатність --- 20 мікрорадіан на піксель. Фокальна віддаль --- 700 мм. Конкретні наукові цілі камери -- див. посилання вище, але навіть на пальцях зрозуміло, скільки корисної наукової, навігаційної, інженерної інформації вони можуть дати, не говорячи вже про чисто естетичну сторону питання. 23.1 кг, 32.4 Вт.
ROSINA ([1], [2]) -- Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis. Складається із двох мас-спектрометрів та датчика тиску. Мас-спектрометри визначатимуть склад атмосфери та іоносфери комети, їх температуру та швидкість потоку. Датчик тиску визначатиме сумарний тиск та "ударний" тиск, пов'язаний із потоком газу від комети. Діапазон мас спектрометрів --- від 1 до 300 атомних одиниць маси, роздільна здатність така, що вони здатні відрізнити CO від \(N_2\) і \(C^13\) від \(C^{12} H\)! Детальніше --- див. посилання вище. Дозволить детально дослідити, що ж за гази водяться навколо комети -- те ж, що описані вище "пилові" прилади робитимуть для пилюки.
RSI ([1], [2]) -- Radio Science Investigation. Це --- не якийсь окремий прилад. Традиційно, комунікаційне обладнання станції використовується для наукових досліджень. З використанням ультра-стабільного осцилятора, може досліджувати доплерівський зсув, викликаний як рухом станції відносно Землі (бездесперсійний зсув), так і проходженням сигналу через плазму (диспергований зсув). Може працювати в обох частотних діапазонах станції, як однонаправлено (сигнал, згенерований апаратом, передається на Землю), так і дво-направлено (сигнал із Землі перевипроміннюється станцією). Дає можливість дуже точно визначати рух станції (вздовж осі станція-Земля), завдяки чому можна дуже точно визначити масу комети, карту її гравітаційного поля, момент імпульсу, швидкість обертання, уточнити її орбіту, тощо, крім того, сигнал міститиме інформацію про те середовище (газ/плазму/пилюку), скрізь яке станція летить.
VIRTIS ([1], [2]) -- Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer. Прилад, як і частина перерахованих вище, складається із декількох частин --- сумістити необхідні діапазони вимірів, і/або необхідну їх різноманітність в одному блоці складно. Сумарно, вони дають йому можливість будувати зображення в світлі із довжиною хвилі 250-5000 нанометрів, із помірною спектральною роздільною здатністю, та будувати спектри із високою спектральною роздільною здатністю для світла із довжиною хвилі 2000-5000 нм. Для досягнення такої чутливості, сенсори охолоджуються за допомогою холодильника Стірлінга. Детальніше див. посилання вище. Призначення приладу -- дослідження ядра та околиць "під ще одним кутом", зокрема, він здатен допомогти іншим приладам однозначно ідентифікувати гази коми та мінерали ядра. 23 кг.

Крім того, є окремий пакет приладів, RPC, Rosetta Plasma Consortium ([2]), для дослідження плазми в околицях комети. За його допомогою вивчатимуться: фізичні властивості поверхні ядра -- електричні властивості, заряд, залишкова намагніченість, взаємодія із сонячним вітром; процеси в комі, взаємодію зарядженої фракції із нейтральним газом та пилом, взаємодія із сонячним вітром, тощо. Пакет складається з наступних приладів:

ICA ([1]) -- Ion Composition Analyser. Вимірюватиме вектор швидкості та енергію позитивних іонів. Здатен сортувати іони по відношенню їх заряду до маси, із роздільною здатністю, достатньою для того, щоб відрізняти між собою протони, іони гелію, кисню, іони молекул та конгломерати більш важких іонів. 2.02 кг, 4.2 Вт.
IES ([1]) -- Ion and Electron Sensor. Вимірюватиме потік електронів та іонів, будуючи їх розподіл в діапазоні енергії від 3 електронвольта до 22 кілоелектронвольт. 0.989 кг, 1.9 Вт.
LAP ([1]) -- Langmuir Probe. Вимірюватиме густину, температуру та швидкість плазми. 0.454 кг, 1.4 Вт.
MAG ([1]) -- Fluxgate Magnetometer. Власне, магнітометр. Вимірюватиме магнітне поле в околицях комети, вплив на нього сонячного вітру, тощо. Для врахування власного магнітного поля станції, складається із двох рознесених датчиків, одного на кінці півтораметрової стріли, і одного на 10-30 см. ближче до корпусу станції. Чутливість --- від -16384 до +16384 нТ, з кроком 0.031 нТ, може робити від 1 до 50 вимірів у секунду. 0.096 кг, 0.7 Вт.
MIP ([1]) -- Mutual Impedance Probe. Вимірюватиме густину, температуру та швидкість електронного газу. Здатен реєструвати радіохвилі з частотою 7 кГц - 3.5 МГц. 0.37 кг, 2 Вт.
PIU -- Plasma Interface Unit. Блок керування, живлення та аналізу для решти пристроїв пакету. 3.291 кг (?).

Вихід на орбіту комети

На 6 серпня 2014 заплановано маневр рандеву, коли станція сповільнить свій рух відносно комети до 2.5 м/с. Віддаль складатим 100 км. Почнеться ~90-денна фаза дальнього наближення, після якої станція буде знаходитися на віддалі приблизно 300 діаметрів ядра комети, із швидкістю відносно нього -- 2 м/с. Далі буде детально виміряно гравітаційне поле комети, форму її ядра та взаємне розташування ядра та станції, в рамках підготовки до наближення. Ця інформація буде використана для початку виходу на орбіту комети приблизно на віддалі 60 радіусів ядра (та швидкості в сантиметри за секунду). Захоплення відбудеться десь на віддалі 25 радіусів. Полярна орбіта картографування планується із параметрами 5-25 радіусів. Після завершення глобальної характеризації поверхні, півдесятка ділянок розміром 500х500 метрів будуть досліджені з віддалі в один радіус.

Візуально і в трьох вимірах це виглядатиме якось так:

Використовуючи інформацію, отриману з орбіти, буде вибрано місце для спускного апарату. Для його доставки на місце станція підійде до віддалі ~1 км, і відповідний механізм відстрілить спускний апарат із швидкість порядку 1.5 м/с. Заплановано це на листопад 2014 (11-19 листопада, станом на зараз -- можливі зміни планів).

Поточне розташування станції можна подивитися тут. Там же можна побачити всю історію її польоту. Станом на 1 серпня 2014, віддаль Розетти до Землі -- 700 мл. км, до Сонця -- 640 млн. км, всього станція подолала більше 8 мільярдів кілометрів.

Детальніше про спускний апарат буде в статті після наступної, присвяченої самій кометі та першим її фото.

Хто знає англійську -- подивіться відео про станцію: