| |||||||||||||
| Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы! |
|
Исследование Солнечной Системы - Меркурий
| |||||
 Исследователи |
|||||
Страница:
История "Mariner-10",
КА "Messenger" NASA,
1-я встреча Messenger,
Итог 1-й встречи,
2-я встреча Messenger,
3-я встреча Messenger,
Выход на орбиту,
Полгода на Меркурии,
Год на орбите,
Быть или не быть?,
Завершение миссии,
Галерея Messenger;
|
|
Меркурий - планета ближайшая к Солнцу Космические исследователи Меркурия Запуск "MESSENGER"
3 августа 2004 в 06:15:56.537 UTC (02:15:56.537 EDT) со стартового комплекса SLC-17B Станции ВВС США 'Мыс Канаверал' стартовыми командами компании Boeing Launch Services при поддержке боевых расчетов 45-го космического крыла по заказу NASA был произведен пуск РН Delta 2, которая вывела на межпланетную траекторию АМС Messenger. Пуск состоялся в самом начале стартового окна, которое продолжалось с 06:15:56 UTC до 06:16:08 UTC. Через 9 мин после старта вторая ступень вышла на промежуточную опорную орбиту с параметрами:  наклонение - 32.43њ;
высота в перигее - 157.6 км;
высота в апогее - 167.8 км;
период обращения - 87.6 мин.
После баллистической паузы было выполнено второе включение ДУ 2-й ступени для предварительного подъема апогея орбиты. Сразу после этого сработал твердотопливный двигатель Star 48B 3-й ступени, обеспечивший перевод станции на отлетную траекторию. Первый сигнал с борта аппарата был принят антенной Сети дальней связи в Голдстоуне примерно через 80 мин после отделения. Обработка траекторных данных показала, что станция выведена на гелиоцентрическую орбиту с параметрами: наклонение - 6.4њ;
перигелий - 0.92 а.е. (138 млн км);
афелий - 1.08 а.е. (162 млн км).
Перигелий оказался на 0.2 млн км больше расчетного из-за того, что РДТТ 3-й ступени чуть-чуть недоработал и 'недодал' 15 м/с. В каталоге Стратегического командования США аппарату был присвоен номер 28391 и международное регистрационное обозначение 2004-030A. Это был 113-й успешный пуск РН Delta 2 из 115 осуществленных с 1989 г. и пятый в 2004 г., а также 60-й успешный старт подряд с 1997 г.
Проект Messenger (MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging, буквально - 'Посланник') был принят NASA к реализации 7 июля 1999 г. в рамках программы малых и относительно 'дешевых' АМС Discovery. Вместе с проектом Deep Impact он был выбран на конкурсной основе из 26 проектов, предложенных в начале 1998 г. Стоимость проекта Messenger на тот момент оценивалась в 286 млн $. 7 июня 2001 г. проект перевели в стадию полномасштабной разработки, и менее чем через год, 29 марта 2002 г., NASA разрешило перейти к рабочему проектированию и изготовлению КА и его научных приборов.
Миссия Messenger в своем роде уникальна - она станет завершением исследования внутренней части Солнечной системы, начатой в 1960-е годы. Меркурий является планетой земной группы, и его детальное изучение поможет ученым понять природу и характер образования планет подобного типа, включая Землю. За разработку и изготовление аппарата, а также управление полетом отвечает Лаборатория прикладной физики (APL) Университета Джона Гопкинса. Двигательную установку по контракту стоимостью 12.3 млн $ изготовила фирма GenCorp Aerojet, а корпус из композитных материалов - компания Composite Optics Inc. Научная аппаратура была создана APL, Центром космических полетов им. Годдарда (GSFC), университетами Мичигана и Колорадо. Окончательная стоимость проекта с учетом изготовления КА, его научной аппаратуры, ракетыносителя, запуска, управления полетом и анализа научных данных составит приблизительно 427 млн $. КОНСТРУКЦИЯ АМС Стартовая масса АМС Messenger - около 1100 кг, причем почти 600 кг, или более половины всей массы, приходится на топли во. Корпус аппарата, изготовленный из композиционного графитового материала, имеет размеры 1.42х1.85х1.27 м. Учитывая особенности места будущей работы станции - главным образом, мощность солнечного излучения, которая в перигелии Меркурия в 11 раз выше, чем у Земли, - пришлось принять специальные меры для избежания перегрева. Во-первых, рабочая орбита выбрана так, чтобы аппарат проводил над солнечной стороной Меркурия всего 25 минут из 12-часового витка. Во-вторых, обращенная к Солнцу сторона аппарата прикрыта солнцезащитным экраном размером 2.5х2 м, укрепленным на корпусе с помощью титановой опоры. Внешние стороны экрана сделаны из стекловолокна 'некстел' (из него же сделана теплозащита некоторых частей шаттла), внутренние - из нескольких слоев каптона. В-третьих, сам корпус, как обычно, 'укутан' в многослойную теплоизоляцию. И в-четвертых, для отвода тепла от корпуса КА предусмотрены радиаторы и 'однонаправленные' тепловые трубы. Все эти меры позволили обойтись без специальной электроники, функционирующей при экстремально высоких температурах. Источником энергии для станции служат две односторонние поворотные панели солнечных батарей (СБ) в виде 'крыльев' размером 1.5х1.65 м с фотоэлементами на арсениде галлия. Будучи направлены перпендикулярно к Солнцу, они способны вырабатывать более 2 кВт, но аппарату столько просто не нужно, и их будут ориентировать под разными углами. Более того, 67% площади панелей - это оптические солнечные рефлекторы, т.е. небольшие зеркала, которые отражают большую часть солнечных лучей и не дают панели перегреться. Лишь 33% площади покрыто фотоэлементами с тройным переходом, которые преобразуют в электричество 28% солнечного света. СБ будут вырабатывать 385-485 Вт на стадии перелета и 640 Вт при работе на орбите, а в тени станция будет питаться от никель-водородной аккумуляторной батареи массой 24.5 кг и емкостью 23 Аћч, сходной с той, что установлена на АМС Mars Global Surveyor. Двигательная установка станции включает в себя двухкомпонентный маршевый двигатель с тягой 68 кгс (150 фунтов) для больших маневров и 16 малых однокомпонентных ЖРД. Среди малых двигателей четыре имеют тягу по 2.27 кгс (5 фунтов) и служат для небольших коррекций траектории и для стабилизации аппарата во время работы маршевого двигателя. Остальные 12 двигателей тягой по 0.45 кгс (1 фунт) тоже используются для небольших коррекций траектории и контроля ориентации, а также дублируют маховики, обеспечивающие стабилизацию КА. Горючее (гидразин) и окислитель (тетраоксид азота) хранятся в трех титановых баках диаметром 56 см и длиной 104 см; гелий, находящийся под высоким давлением, обеспечивает их подачу в двигатели, причем из 595 кг топлива - 229 кг N2O4 и 269 кг гидразина предназначены для маршевого двигателя, а еще 97 кг гидразина - для двигателей малой тяги.
В систему связи аппарата входят две антенны высокого усиления HGA типа 'фазированная решетка', а также две веерные антенны среднего усиления MGA и четыре антенны низкого усиления LGA. Все антенны закреплены неподвижно, что повышает их надежность; при этом сигналы фазированных решеток (этот тип антенн впервые используется в 'дальнем космосе') могут быть направлены под углом до 45њ к оси самой антенны. 11-ваттный передатчик обеспечивает передачу данных с борта на Землю в диапазоне X со скоростью от 9.9 бит/с до 104 кбит/с. Команды с Земли на борт идут со скоростью от 7.8 до 500 бит/с. Ориентироваться в пространстве Messenger будет с помощью двух звездных датчиков, а также четырех гироскопов и четырех акселерометров, входящих в состав инерциального измерительного блока IMU (Inertial Measurment Unit). 10 раз в секунду звездный датчик делает широкоугольный снимок звездного неба, сравнивает его с картой, заложенной в память, и определяет ориентацию КА в пространстве. Кроме того, шесть цифровых солнечных датчиков DSS находятся в резерве и отслеживают отклонение направления на Солнце от расчетного. Трехосная стабилизация аппарата будет осуществляться на маховиках. 'Мозгом' аппарата является модуль ин тегрированной электроники IEM (Integrated Electronics Module). На аппарате таких модулей два (основной и резервный), каждый из них имеет главный процессор RAD6000 (25 МГц) и аналогичный процессор для защиты от сбоев (10 МГц). В состав каждого IEM также входит твердотельное запоминающее устройство с памятью до 1 Гбайт, преобразователи энергии и различные интерфейсы, осуществляющие связь между процессорами и периферийными устройствами. НАУЧНАЯ АППАРАТУРА В состав научной аппаратуры АМС входят: 1. Двухрежимная камера MDIS (Mercury Dual Imaging System), предназначенная для топографической съемки и детального исследования ландшафта Меркурия, состоит из широкоугольной и узкоугольной мультиспектральных камер на ПЗС-матрицах. Широкоугольная камера имеет поле обзора 10.5њ и 12 различных фильтров для наблюдения в диапазонах спектра от 400 до 1100 нм (от видимого до ближнего ИК-диапазона). Узкоугольная камера с полем обзора 1.5њ будет получать детальные черно-белые изображения поверхности планеты. Прибор MDIS имеет самостоятельный привод и может наводиться на цель без разворота всего КА. Общая масса инструмента - 7.9 кг, максимальная мощность - 10 Вт. Разработчиком камеры является APL. 2. Рентгеновский спектрометр XRS (X-Ray Spectrometer) предназначен для определения элементного состава тонкого (1 мм) верхнего слоя поверхности Меркурия с разрешением от 200 до 1000 км. Он регистрирует рентгеновское излучение с энергией в пределах от 1 до 10 кэВ, где находятся спектральные линии магния, алюминия, кремния, серы, кальция, титана и железа, а также солнечное рентгеновское и гаммаизлучение. XRS состоит из трех наполненных газом детекторов и одного кремниевого твердотельного детектора, направленного в сторону Солнца, медно-бериллиевых коллиматоров, которые образуют поле обзора 12њ, а также небольшого теплоизолированного монитора солнечного ветра, установленного на солнцезащитном экране. Общая масса инструмента - 3.4 кг, максимальная мощность - 11.4 Вт. Спектрометр разработан APL.
3. Гамма спектрометр и нейтронный спектрометр GRNS (Gamma-Ray and Neutron Spectrometer) предназначен для регистрации нейтронов и гамма-лучей от элементов на поверхности Меркурия, испускаемых под воздействием космического излучения, а также естественного излучения радиоактивных элементов. Прибор будет применяться для картографирования поверхности планеты с целью определения элементного состава ее коры, и в частности - обнаружения полярных льдов. Общая масса прибора, который по существу состоит из двух отдельных спектрометров, - 13.1 кг, максимальная потребляемая мощность составляет 23.6 Вт. Разработчиком прибора является APL. 4. Спектрометр энергичных частиц и плазмы EPPS (Energetic Particle and Plasma Spectrometer) предназначен для изучения состава, распределения и энергии заряженных частиц в магнитосфере Меркурия. Он состоит из спектрометра заряженных частиц EPS и высокоскоростного видового плазменного спектрометра FIPS. Общая масса прибора составляет 3.1 кг, максимальная мощность - 7.8 Вт. Разработчики - Мичиганский университет и APL. 5. Спектрометр для исследования со става атмосферы и поверхности MASCS (Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer) предназначен для определения состава верхней атмосферы и поверхности Меркурия. Он включает в себя два спектрометра: один видимого и УФ-диапазона, другой - видимого и ИК-диапазона. Общая масса инструмента - 3.1 кг, максимальная мощность - 8.2 Вт. Прибор разработан Университетом Колорадо. 6. Лазерный высотомер MLA (Mercury Laser Altimeter) предназначен для высокоточной топографической съемки поверхности Меркурия. В его состав входят: инфракрасный лазерный передатчик с рабочей длиной волны 1064 нм и скоростью работы 8 имп/сек и приемник, состоящий из четырех сапфировых линз; детектор для подсчета числа фотонов; интервальный блок и блок электроники для обработки данных. Общая масса инструмента - 7.4 кг, максимальная мощность работы - 38.6 Вт. Разработчиком высотомера является GSFC. 7. Трехкомпонентный магнитометр MAG предназначен для исследования магнитных аномалий на поверхности Меркурия, а также для изучения структуры и динамики его магнитного поля. Его датчик установлен на штанге длиной 3.6 м (во избежание воздействия на прибор собственного магнитного поля аппарата) и будет регистрировать компоненты магнитного поля Меркурия с интервалом от 0.05 до 1 сек. Общая масса прибора (включая штангу) составляет 4.4 кг, максимальная мощность - 4.2 Вт. Инструмент разработан APL и GSFC. 8. Эксперимент RS (Radio Science) заключается в точном измерении скорости аппарата и расстояния до Земли, что позволит исследовать гравитационное поле Меркурия, а также установить размер и состояние ядра планеты. В научную группу Messenger входят 23 специалиста из 13 научно-исследовательских институтов. Они разделены на четыре группы: геологическая, возглавляемая д-ром Джеймсом Хедом (James Head) из университета Брауна, геохимическая (д-р Уилльям Бойнтон из университета Аризоны), геофизическая (д-р Мария Зубер (Maria Zuber) из Массачусеттского технологического института) и группа по исследованию атмосферы и магнитосферы (д-р Стаматиос Кримигис (Stamatios Krimigis) из Лаборатории прикладной физики Университета Джона Гопкинса). Научным руководителем проекта является д-р Шон Соломон (Sean Solomon) из Института Карнеги в Вашингтоне. НАУЧНЫЕ ЗАДАЧИ Вот лишь некоторые глобальные вопросы, на которые предстоит найти ответы в ходе полета АМС Messenger: ? Почему Меркурий, являющийся самой плотной планетой в Солнечной системе, большей частью состоит из железа, присутствие которого не было выявлено с помощью спектроскопических наблюдений? ? Почему Меркурий является единственной внутренней планетой (кроме Земли), имеющей глобальное магнитное поле? ? Как может планета, находящаяся на столь близком расстоянии от Солнца, с дневной температурой до +450њC на поверхности у экватора, иметь лед в полярных кратерах? Или это не лед, а сера? ? Является ли ядро Меркурия твердым или оно находится в жидком состоянии? ? Есть ли на планете тектоническая активность? ? Как взаимодействует магнитное поле планеты с солнечным ветром (при отсутствии ионосферы)? ПРЕДСТАРТОВАЯ ХРОНИКА Январь-февраль 2003: Изготовление КА и его научной аппаратуры началось в конце марта 2002 г., и уже к концу января 2003 г. была полностью изготовлена и соединена с корпусом КА его двигательная установка. 3 февраля аппарат доставили из Aerojet в APL и поместили в специальную 'чистую' комнату, где после проведения вибрационных и термовакуумных испытаний инженеры приступили к непосредственной интеграции элементов и научной аппаратуры в корпус аппарата. Май 2003: Специалисты вмонтировали в аппарат временные 'технологические модели' модуля распределения энергии PDU и модуля интегрированной электроники IEM. Эти модели предназначены только для тестирования и 'ведут себя' точно так же, как 'полетные' экземпляры. Последние же устанавливаются после проведения всех необходимых тестов. 31 мая аппарат получил свой солнечный 'зонтик' с одной из фазированных антенн, и в тот же день был установлен первый из семи научных приборов - спектрометр MASCS. Июнь-июль 2003: В июне проводилась установка радиаторов и термостатов и продолжалась интеграция научной аппаратуры: к прибору MASCS добавились рентгеновский спектрометр XRS и спектрометр плазмы EPPS. В корпус аппарата были также вмонтированы блок распределения энергии PDU и два модуля интегрированной электроники IEM (теперь уже 'полетные' образцы), приемопередатчик дальней связи, маховики, солнечные и звездные датчики, а также лазерный высотомер. В июле специалисты установили на аппарат и протестировали блок электроники для магнитометра.
Август 2003: 22 августа 2003 г. специалисты завершили установку камеры MDIS, а 24 августа провели взвешивание аппарата: для этого с помощью тросов и специального подъемного крана его приподняли на несколько сантиметров. Строгий контроль над массой аппарата был одной из самых трудных задач: ведь каждый килограмм станции 'стоил' 233 кг топлива ракеты-носителя! На этот момент 'сухая' масса аппарата составляла 331 кг, что соответствовало расчетам, а к моменту старта она должна была увеличиться до 513 кг (с учетом топлива - 1130 кг). Для сравнения: РН Delta 2 'весит' около 288 т. Сентябрь-октябрь 2003: 12 сентября инженеры заново оборудовали аппарат двумя звездными датчиками (после их съема для тестирования). 3 октября был установлен последний блок спектрометра GRNS, и Messenger оказался полностью 'укомплектован' научной аппаратурой. В конце месяца на аппарат полностью была установлена вся электроника. Работа с аппаратом велась уже по 20 часов в сутки - с 5 утра до часу ночи. Но даже это не помогло справиться с техническими трудностями и с задержкой поставок критических подсистем: в августе руководители проекта запросили перенос пуска с марта на 11 мая 2004 г., и в октябре такое решение было принято. В октябре инженеры тестировали звездные датчики, состыковав с ними специальные устройства, имитирующие звездное небо, а в конце месяца проюстировали солнечные датчики и инерциальный измерительный модуль IMU. Затем испытания прошел магнитометр MAG. Он имеет два режима работы: для тестирования в земных условиях и для научных наблюдений на орбите у Меркурия. Чтобы проверить функционирование прибора в условиях слабого магнитного поля Меркурия, вокруг датчика магнитометра расположили специальные обмотки, ток в которых как бы 'обнулял' магнитное поле Земли. Ноябрь 2003: В начале ноября инженеры проверяли, правильно ли установлены и настроены все датчики системы ориентации аппарата. В процессе испытаний ошибки были найдены и устранены. В середине ноября была протестирована ДУ аппарата с азотом вместо реальных компонентов. Инженеры убедились, что команды на разворот КА исполняются правильно и работают нужные клапаны и двигатели. После этого проверялось собственное магнитное поле станции - что-бы ее магнитометр мог работать, нужно было добавлением специальных компенсирующих магнитов свести его к минимуму. Декабрь 2003: 5-7 декабря был пройден очень важный этап работы - на аппарате смонтировали и испытали две панели СБ. 12 декабря был установлен солнцезащитный экран, а 19 декабря Messenger был перевезен из APL в Центр космических полетов им. Годдарда (GSFC) для трехмесячной серии испытаний. Март 2004: В конце февраля испытания станции закончились, и он был готов к транспортировке в Космический центр им. Кеннеди для предстоящего запуска 11 мая 2004 г. 9-10 марта Messenger был доставлен на мыс Канаверал. Предстартовая подготовка аппарата велась в МИКе фирмы Astrotech Space Operations в г. Тайтсвилл, а проводили ее инженеры из APL. 17 марта резервный экземпляр аккумулятора, который питал Messenger с ноября 2003 г., был заменен на 'летную' модель. Известно, что аккумуляторные батареи имеют ограниченный срок службы, поэтому их стараются устанавливать на КА незадолго до запуска с целью обеспечить максимальную продолжительность их 'жизни'. Но через неделю стало известно, что запуск отложен до 30 июля 2004 г., и аккумуляторы пришлось демонтировать. Апрель-июнь 2004: Проверка системы радиосвязи и способности аппарата к автономной работе проводилась в особом корпусе для 'опасных' операций. 13 апреля аппарат перевели в 'обычный' МИК, где к концу июня были закончены предстартовые испытания и окончательно установлены: аккумулятор, теплоизоляция, солнцезащитный экран и солнечные батареи. НА СТАРТ! 28 июня аппарат вновь перевели в Корпус опасных операций для заправки, которая закончилась 1 июля. Балансировка аппарата была проведена 7 июля, а 12 июля он был состыкован с третьей ступенью РН. Тем временем 30 июня началась сборка ракеты на стартовом комплексе SLC-17B. 1-6 июля на первую ступень навесили девять ускорителей, а 8 июля была установлена вторая ступень РН. Наконец, в ночь на 21 июля третью ступень со станцией привезли из Тайтсвилла на старт и в тот же день установили на ракету. Пуск планировался на 2 августа 2004 в 06:16:11 UTC - но, как и предупреждала метеослужба, район старта оказался в зоне влияния тропического шторма Алекс. За 7 минут до расчетного времени запуск был отменен из-за плотной облачности и перенесен на 3 августа в 06:15:56 UTC. ДО МЕРКУРИЯ 24 августа 2004 в 21:03:35 UTC Messenger выполнил свою первую коррекцию траектории для компенсации ошибки выведения. Импульс длился 3.6 мин и снизил скорость аппарата на 18 м/с - приблизительно до 28.6 км/с. За время полета к Меркурию Messenger преодолеет 7.9 млрд км и сделает 15 витков вокруг Солнца. После встречи с Землей он будет направлен к Венере и пройдет мимо нее дважды - 24 октября 2006 г. (3612 км) и 6 июня 2007 г. (300 км). После этого станция трижды встретится с самим Меркурием, пройдя над ним на высоте всего 200 км: это произойдет 15 января, 6 октября 2008 г. и 30 сентября 2009 г. Чтобы точно пройти по этой сложной трассе, станции потребуется пять значительных коррекций гелиоцентрической орбиты.
18 марта 2011 г. Messenger в 4-й раз подойдет к Меркурию и выполнит торможение для выхода на орбиту вокруг него. Включение основного двигателя на 14 минут снизит скорость аппарата на 867 м/с, при этом будет израсходовано около 30% первоначальных запасов топлива. Станция будет выведена на высокоэллиптичную орбиту с расчетными параметрами: минимальная высота - 200 км над 60њс.ш.; максимальная высота - 15193 км; наклонение - 80њ; период обращения - 720 мин. Аппарат должен проработать на орбите Меркурия двое меркурианских суток (а в них по 176 земных!), т.е. немного меньше земного года. В ходе научной работы аппарата притяжение Солнца и исходящее от него излучение будут медленно и слегка изменять параметры орбиты 'Мессенджера', поэтому примерно через каждые 88 земных дней (один меркурианский год) он будет выполнять коррекции траектории для поддержания необходимой формы и размера орбиты. Автор материала: П. ШАРОВ,
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|