NEAR Shoemaker

Near Earth Asteroid Randezvous проект NASA и Лаборатории прикладной физики (APL) Университета Джона Гопкинса. Основная цель миссии - астероид Эрос. Межпланетная станция должна выйти на орбиту вокруг астероида и провести его детальные исследования.

Астероид Эрос был выбран в качестве объекта исследований главным образом потому, что он имеет большой размер и расположен достаточно близко к Земле. 433 Эрос имеет "арахисоподобную" форму с размерами 33Х13Х13 км. (Номер 433 означает, что Эрос был 433 астероидом, орбита которого была вычислена.) Это самое большое тело из группы ближайших к Земле астероидов (NEAs - Near Earth Asteroids). Остальные имеют диаметр порядка 1 км. Параметры орбиты Эроса позволяют запустить к нему исследовательский аппарат, используя ракету-носитель среднего класса. Перигелий орбиты астероида 1.13 АЕ (169,045,593 км), апогелий 1.78 АЕ (266,284,209 км), период обращения вокруг оси 5.27 часа.

Эрос - астероид типа S, т. е. является представителем 17% астероидов (еще выделяют класс C 75% и M). Тип S подразумевает, что поверхность состоит из смеси металлических никеля, железа и минералов на основе кремния (Пироксен - Fe и Si и оливин - Mg и Si).

Ученые пытаются сравнивать спектры астероидов и минеральный состав метеоритов, которые падают на Землю. Хондриты самые распространенные метеориты, по-видимому, не изменялись со времен формирования солнечной системы 4.6 млрд. лет назад. Каменно-железные метеориты с другой стороны, являются остатками больших тел, которые однажды были расплавлены, так что тяжелые металлы и легкие породы разделились в разные слои. Спектры Эроса близки к обоим типам этих метеоритов.

NEAR должен ответить на вопрос являются ли астероиды типа S дифференцированными телами, т.е. были ли они частью большого тела или нет. Если тело состоит в основном из легких элементов, значит, оно могло быть околоповерхностной частью большого объекта; если же в его состав входят тяжелые элементы, такие как никель и железо, оно могло входить в состав ядра древней планеты. Может оказаться, что четкой выраженности ни в ту, ни в другую сторону нет, и тогда оно является примитивным, первичным блоком.

Итак, главными задачами миссии являются три научные цели: ћ Определение физических и геологических свойств астероида. ћ Получение информации о различиях между астероидами, кометами и метеоритами. ћ Дальнейшее уточнение информации о том, как и в каких условиях, формировались и развивались планеты.

NEAR является первым космическим аппаратом построенным по программе Discovery NASA. Этой программой предусматривается строительство небольших, дешевых КА для исследования солнечной системы. Основной девиз программы - "БЫСТРЕЕ, ЛУЧШЕ, ДЕШЕВЛЕ". Стоимость проектов должна быть порядка $150 млн. в ценах 1992 года. Общая стоимость проекта NEAR $224.1 млн. из них $124.9 млн. разработка КА, $44.6 млн. обеспечение запуска, $54.6 млн. управление миссией и анализ получаемых данных.

Космический аппарат по форме напоминает восьмигранную призму, на верхнем основании которой установлена антенна высокого усиления диаметром 1.5 метра. На нижнем основании размещена неподвижная платформа с научными инструментами. Длина аппарата вместе с HGA около 2.8 м, площадь в плане 1.7 кв. м. NEAR имеет четыре солнечные батареи общей площадью 2.6 кв. м. Масса КА включая массу топлива 805 кг.

Основные подсистемы космического аппарата

Командно - управляющая подсистема (C&DH - Command & Data Handling) предназначена для управления работой КА, выполнения команд получаемых с Земли, сбора, обработки и форматирования данных телеметрии для передачи на Землю, а так же для высокоуровневой защиты от сбоев.
На станции NEAR функции C&DH выполняет бортовой компьютер 1750А. Это 16 разрядная машина изготовлена по военной технологии середины 80-х годов, она работает на частоте 12 МГц и имеет 256 КБ оперативной памяти.
Для хранения данных имеется твердотельная память объемом 1.7 ГБ.

Космический аппарат стабилизирован по трем осям. Система стабилизации обеспечивает следующие функции: направляет антенну высокого усиления на Землю во время сеансов связи, нацеливает платформу с инструментами на объект исследований, использует нагрев и охлаждение от солнечного света и тени для управления тепловым состоянием аппарата. Для выполнения этих функций используются малые реактивные двигатели. Информация о положении КА вычисляется с использованием данных от гироскопов и звездной камеры.

Связь с Землей осуществляется посредством использования одной антенны высокого усиления. В случае если использование HGA невозможно, используются 2 антенны низкого усиления (LGA). Система связи работает в диапазоне X (~5 ГГц) сети дальней космической связи NASA. Использование HGA позволяет передавать данные со скоростью до 27 кбит/с, при работе через LGA темп обмена информацией может упасть до 9 бит/с.

Подсистема энергоснабжения предназначена для обеспечения аппарата электрической энергией. Ее основу составляют четыре арсенид галлиевые солнечные батареи, которые обеспечивают мощность до 1800 Вт. Также имеются аккумуляторные батареи.

Двигательная подсистема корабля предназначена для выполнения маневров и управления положением корабля. Она включает в себя один главный двигатель тягой 470 Н, 4 двигателя тягой по 21 Н, и 7 малых двигателей тягой по 3.5 Н. Также в двигательную установку входят 3 бака для топлива (гидразин), 2 бака для окислителя (тетраоксид азота), баллон с гелием, для вытеснения компонентов топлива из баков, и другие составляющие. Главный двухкомпонентный двигатель используется для совершения маневров в открытом космосе. Остальные двигатели однокомпонентные (гидразин разлагается в присутствии катализатора с выделением энергии), и используются для управления положением корабля.

Большинство научных приборов размещено на неподвижной платформе. В состав научной нагрузки КА входят 6 основных приборов.

Мультиспектральная камера (MSI - Multi-Spectral Imager) предназначена для получения изображений поверхности астероида в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Камера имеет 7 фильтров, позволяющих получать изображения в диапазоне длин волн 450 - 1100 нм. Набор фильтров используется для распознания железо содержащих силикатов. Еще один широкополосный фильтр используется для получения изображений и оптической навигации.
Камера имеет поле зрения 2.26њХ2.95њ разделенное на 244Х537 пиксель в ПЗС матрице. Такие характеристики позволяют получить разрешение 9.6Х16.2 м с расстояния 100 км. Цвет представляется 12 битами на пиксель, встроенный цифровой модуль обеспечивает автоматический выбор выдержки и сжатие изображения.
MSI используется для определения формы астероида, особенностей строения поверхности, для построения карты распределения минералов.

Инфракрасный спектрометр (NIS - Near-Infrared Spectrometer) предназначен для изучения минерального состава Эроса, за счет измерения спектра отраженного от поверхности солнечного света. NIS сканирующий спектрометр, т.е. имеет золотое зеркало, которое качается на угол 140њ, развертка обеспечивается за счет движения КА. 64 спектральных канала покрывают диапазон 800 - 2700 нм, свет воспринимается двумя линейками по 32 детектора на основе Ge и InGaAs. Информация представляется 12 битами на один канал.

Лазерный высотомер (NLR - NEAR Laser Rangefinder) - используется для определения расстояния до Эроса. Позволяет проводить точные измерения формы астероида, данные, которых будут использованы для построения трехмерной модели Эроса. NLR состоит из двух основных частей: излучателя и приемника. Излучатель работает на длине волны 1.06 мм, вырабатывает импульсы длительностью 12 нс. Энергия импульса 15 мДж. Импульсы могут следовать с частотой 1/8, 1, 2 или 8 Гц. Приемная часть представляет, из себя компактный телескоп с фотодиодом. NLR - позволяет определять дальность с точностью лучше чем 0.5 м.

Гамма лучевой и рентгеновский спектрометр (XGRS - X-Ray/Gamma-Ray Spectrometer) собирает данные об элементном составе астероида. Рентгеновский спектрометр используется для обнаружения рентгеновского излучения от элементов на поверхности Эроса, которое возбуждается под действием солнечных рентгеновских лучей. Гамма - лучевой спектрометр обнаруживает гамма излучение от некоторых элементов на поверхности. Это излучение частично вызывается действием космических лучей, а частично естественной радиацией Эроса. Измерения XGRS позволят установить взаимосвязь между метеоритами и астероидами.

Магнитометр (MAG - Magnetometer) - используется для поиска магнитного поля вокруг астероида. MAG смонтирован на "треножнике" антенны высокого усиления. Сенсор магнетометра имеет 8 уровней чувствительности в диапазоне от 4 нТ до 65536 нТ. Измерения проводятся 20 раз в секунду, значения сигнала представляются 16 битами.

Радиоосцилятор (RS - Radio Science) - на борту КА установлен когерентный передатчик, который работает на частоте 8438 МГц (диапазон X). Измерение сигнала позволяют определить радиальную скорость аппарата с точностью 0.1 мм/с. RS позволит уточнить гравитационные параметры астероида Эрос 433.

КА NEAR был запущен 17 февраля 1996 года с космодрома на мысе Канаверал, ракетой-носителем Delta II. Так как орбита Эроса наклонена к плоскости эклиптики на 10.8њ и космический аппарат запускался ракетой среднего класса, NEAR не имел достаточно энергии, чтобы непосредственно отправиться к Эросу. Поэтому КА был запущен по сложной траектории предусматривающей гравитационный маневр около Земли.

27 июня 1997 года станция NEAR пролетела в 1212 км от другого астероида - 253 Матильда. Скорость сближения составляла 9.93 км/с, несмотря на это КА смог выполнить несколько снимков Матильды. Это первые снимки астероида типа С с такого близкого расстояния. Матильда представляет, из себя черное тело размерами 59Х47 км, на котором имеется множество крупных кратеров. Плотность астероида очень мала 1.4 г/куб. см. В глубине кратеров находится такой же материал, что и на поверхности, это позволяет говорить о том, что астероиды такого типа не подвергались изменениям во время формирования планет и являются примитивными строительными блоками, из которых формировались планеты.
Поверхность астероида отражает только 4% солнечного света. Вызывает удивление малая скорость вращения Матильды - 1 оборот за 17.4 суток. Возможно, это связано с многочисленными столкновениями.

23 января 1998 года КА выполнил гравитационный маневр около Земли. Во время этого события приборы аппарата наблюдали Землю со стороны южного полюса.

Первоначально выход на орбиту Эроса планировался на 10 января 1999 года. Но 20 декабря 1998 года во время выдачи первого тормозного импульса аппарат потерял ориентацию, и связь с ним была потеряна на 27 часов. Связь удалось восстановить, но время было упущено, и 23 декабря 1998 года NEAR прошел в 3828 км от Эроса.

Специалисты разработали другую схему подлета к цели. 3 января 1999 года аппарат был переведен на орбиту совпадающую с орбитой Эроса. Такой маневр обеспечивал повторную встречу с астероидом в 2000 году.
В течение года КА медленно сближался с целью. С января 2000 г. станция стала передавать научные снимки астероида. Выход на орбиту вокруг Эроса запланировали на 14 февраля 2000 года (день Св. Валентина, он же день всех влюбленных). В 16:00 UTC было объявлено, что NEAR вышел на орбиту.

Первоначально высота орбиты составляла 300 км, но к маю 2000 года NEAR снизил высоту до 50 км, а в июле до 35 км.

В результате работы КА NEAR на орбите астероида, удалось установить, что Эрос не проходил стадию тепловой дифференциации, т.е. не подвергался разогреву. Состав минералов на поверхности астероида похож на тот, что встречается среди метеоритов хондритов. Это позволяет предполагать, что Эрос является первоначальным строительным блоком, а не частью более крупного тела.

12 февраля 2001 года в 20:06 по Гринвичу зонд NEAR совершил посадку на поверхность астероида. Во время снижения аппарат передавал высокодетальные изображения поверхности.

 

Последнее изображение переданное с зонда NEAR. Полосы внизу снимка означают потерю сигнала в момент касания поверхности. (нажмите на картинку, чтобы увидеть более качественную версию)

Последний снимок сделан с высоты 120 м и накрывает область шириной 6 м.

Хотя NEAR не был расчитан на посадку, после касания поверхности он остался работоспособен. До 28 февраля на борту зонда работал рентгеновский спектрометр. 28.02.01 работа с АМС NEAR была прекращена.

За время работы на орбите астероида КА передал более 160 тысяч изображений, выполнил более 11 миллионов лазерных импульсов для точного измерения формы поверхности.

Официальный сайт проекта: http://near.jhuapl.edu/