24 октября 1998 г. в 08:08:00.502 EDT (12:08:01 UTC) со стартовой площадки SLC-17A Станции ВВС 'Мыс Канаверал' ракетой-носителем Delta 2 (вариант 7326) была запущена американская экспериментальная АМС Deep Space 1 (DS1).
    Вторая ступень РН Delta 2 вышла на опорную орбиту ИСЗ с наклонением 28.48њ, высотой 170.7x183.5 км и периодом 87.92 мин. Deep Space 1 был успешно переведен на отлетную траекторию вторым (кратковременным) включением 2-й ступени и включением третьей ступени РН - разгонного блока Star 37FM. Отделение КА от третьей ступени прошло успешно. Скорость станции относительно Земли после прекращения работы двигателя РБ составила 11.0 км/с. Первая телеметрия, принятая с КА, показала, что все системы аппарата работают штатно.

DEEP SPACE 1: ОТРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ

    После отделения 3-й ступени вторая ступень РН Delta 2 выполнила третье включение, в результате которого через 88 мин 23 сек после запуска вывела на орбиту с наклонением 31.44њ, высотой 548.3x1073.1 км и периодом 100.97 мин дополнительный полезный груз - 'студенческий' спутник SEDSat-1.

DEEP SPACE 1: ОТРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ

При запуске DS1 впервые использован т.н. 'облегченный' (MedLitе) вариант РН Delta 2 - 'модель 7326'. Его отличительной особенностью, по сравнению с ранее использованными 'стандартными' версиями, такими как 'модель 7925', является уменьшенное с девяти до трех число стартовых твердотопливных ускорителей SRM. Кроме того, в качестве третьей ступени использовался РДТТ Star 37FM (для запуска аппаратов Mars Global Surveyor и Mars Pathfinder применялись двигатели Star 48). Конструкция собственно ускорителей SRM, а также первой и второй ступеней остались неизменными.     Запуск был выполнен в рамках т.н. контракта MedLite между NASA и компанией The Boeing Co. Этот контракт предусматривает запуски КА NASA носителями среднего и легкого класса.      Расчетная циклограмма запуска     ? п/п Событие Время, сек     1 Включение ускорителей и ДУ первой ступени; Т      отрыв от стартового стола     2 Переход через звуковой барьер Т + 35.0     3 Отсечка и отделение ускорителей SRB Т + 63.0     4 Отсечка двигателя первой ступени Т + 264.0     5 Отделение первой ступени Т + 272.0     6 Первое включение двигателя второй ступени Т + 277.0     7 Отделение головного обтекателя Т + 298.0     8 Отсечка двигателя второй ступени Т + 629.0     9 Второе включение двигателя второй ступени Т + 2771.0     10 Отсечка двигателя второй ступени Т + 2824.0     11 Отделение второй ступени Т + 2877.0     12 Включение двигателя третьей ступени Т + 2924.0     13 Выключение двигателя третьей ступени Т + 3040.0     14 Отделение КА DS-1 Т + 3205.0     15 Третье включение двигателя второй ступени Т + 3774.0     16 Отсечка двигателя второй ступени Т + 3805.0     17 Отделение КА SEDSat-1 Т + 5300.0

DEEP SPACE 1: ОТРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ

    Станция Deep Space 1 не получила никакого 'собственного' имени, кроме условно-описательного названия (Deep Space 1 - 'Дальний космос-1'). DS1 было присвоено международное обозначение 1998-061A и номер 25508 в каталоге Космического командования США. SEDSat-1 был зарегистрирован под обозначениями 1998-061B и 25509 соответственно.
    Основная цель запуска аппарата Deep Space 1 - отработка новых технологий межпланетного полета. Программа полета также предусматривает пролет на высоте 5-10 км и исследование астероида 1992 KD 28-29 июля 1999 г. Перехват астероида состоится в 190 млн км от Земли, причем до встречи DS1 пройдет около 725 млн км. Основная программа DS1 завершится 18 сентября 1999 г.

DEEP SPACE 1: ОТРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ

    DS1 - первый американский КА, созданный в рамках программы New Millenium. Ее цель - отработка новых космических технологий. КА, созданный по этой програм ме, должен удовлетворять следующим критериям: минимальная стоимость, жесткие ограничения по времени разработки, применение в конструкции (за исключением испытываемых технологий) существующих и дешевых решений.


    КА для исследования планет создавались до сих пор таким образом, что наземный комплекс управления играет в полете огромную роль. С аппарата сбрасывается большой объем телеметрии, инженеры группы управления анализируют ее, планируют дальнейшую работу КА, составляют программу, отрабатывают ее на аппарате-аналоге и передают на борт для исполнения. Это процесс медленный и дорогой, так как в управлении участвуют десятки людей. Количество межпланетных КА и объем передаваемой с них информации растет, и вскоре средства Сети дальней связи (DSN) NASA будут просто не в состоянии обслуживать их. Очевидно, АМС будущего должны быть способны работать более автономно, чтобы как можно меньше загружать мощности DSN и наземных операторов. Они должны периодически контролировать общее состояние аппарата и только в случае нештатной ситуации, с которой не может справиться борт, снимать телеметрию в полном объеме для анализа и принимать решения.

DEEP SPACE 1: ОТРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ

    DS1 был создан как экспериментальный КА, предназначенный для отработки технологии полета межпланетных станций нового поколения. Всего на борту поставлено 12 экспериментов по отработке технологий.
    Именно они, а не пролет астероида 1992 KD и не получение научных данных, являются основной целью проекта. Большая часть этих технологий будет испытана в течение первых двух месяцев полета.


    Стоимость проекта DS1 составила 152.3 млн $, в том числе: 94.8 млн $ - проектирование, изготовление и испытания; 43.5 млн $ - запуск; 10.3 млн $ - управление; 3.7 млн $ - работа научных групп. На разработку аппарата со дня постановки задачи до запуска ушло 39 месяцев. Заказчиком аппарата была Лаборатория реактивного движения (JPL), где руководителем программы New Millenium является д-р Фук Ли (Fuk Li), а менеджером проекта DS1 - Дэвид Леман (David Lehman). Научный руководитель проекта - д-р Роберт Нелсон (Robert Nelson).
    Служебный борт КА изготовили совместно JPL и фирма Spectrum Astro Inc. (г.Джилберт, Аризона), где руководителем проекта был Петер Клупар (Peter Klupar). За основу была принята модель SA-200HP.

DEEP SPACE 1: ОТРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ

Детали конструкции аппарата     Несущая конструкция (шасси) аппарата выполнена из алюминия. Большая часть элементов и приборов расположена снаружи шасси, чтобы обеспечить максимальную доступность во время предстартовой сборки и испытаний. КА оснащен штангой, с помощью которой можно подключиться к электро разъему аккумуляторных батарей, а также к магистралям гидразина, ксенона и гелия, когда аппарат будет находиться под обтекателем РН.     Терморегулирование обеспечивается за счет обычной многослойной теплоизоляции, электрических нагревателей и радиаторов.     Система ориентации использует звездный датчик, инерциальный измерительный блок (гироскопы) и солнечный датчик. Исполнительными органами системы ориентации являются обычные гидразиновые двигатели малой тяги.     В качестве маршевого двигателя используется экспериментальная электрореактивная (ионная) ДУ, работающая на ксеноне.     Основная бортовая электроника аппарата расположена в едином модуле. Электропитание аппарата осуществляется от солнечных батарей (СБ), а до момента их раскрытия - от никель-водородных аккумуляторных батарей мощностью 24 Ач (производитель - Лаборатория имени Филлипса ВВС США). Аккумуляторы могут также понадобиться для компенсации перепадов потребляемой мощности при работе бортового ионного двигателя (ИЭРД) и во время пролета астероида, если освещенность СБ будет неблагоприятной.     Многие системы Deep Space 1 не дублированы. Конструкторы ограничились резервированием лишь отдельных элементов приборов и неполным функциональным резервированием на уровне подсистем. Станция DS1 заимствовала определенные элементы из предшествовавшего ей проекта Mars Pathfinder (MPF). Так, установленная на DS1 антенна высокого усиления HGA была запасной для станции MPF.     Электроника управления гидразиновой ДУ создана на тех же принципах, что и у MPF. Микропроцессор бортовой ЭВМ DS1 идентичен процессору MPF и использует чип RAD 6000 с упрощенной RISC-архитектурой и радиационной защитой.     Полетное ПО DS1, механизм формирования командных последовательностей и командно-телеметрическая инфраструктура созданы по опыту MPF. Из этого проекта позаимствован контроллер режима бортового ПО, который позволяет дать аппарату общую команду изменения конфигурации (например, перехода в режим начального этапа полета, режим встречи с астероидом и т.д.) вместо отправки с Земли детальных команд для конфигурации каждой системы.     Кроме того, при испытаниях DS1 широко использовалось оборудование и стенды, оставшиеся после MPF.     Размеры:     несущая конструкция - 1.1x1.1x1.5 м;     со всеми прикрепленными к ней приборами и теплоизоляцией - 2.1x1.7x2.5 м;     размах развернутых солнечных панелей - 11.8 м.     Масса:     полная - 486.3 кг;     сухая - 373.7 кг;     гидразин - 31.1 кг;     ксенон - 81.5 кг.     Максимальная мощность, снимаемая с обеих солнечных панелей - 2400 Вт.

1 - Остронапавленная антенна HGA; 2 - антенна низкого усиления LGA; 3 - антенна диапазона Ka; 4 - панель системы подачи ксенона; 5 - штанга наземных коммуникаций; 6 - блок управления ЭРДУ; 7 - аккумуляторы; 8 - электроника солнечного датчика; 9 - солнечный датчик; 10 - прибор PEPE; 11 - блок управления мощностью; 12 - солнечные батареи (сложены); 13 - звездный датчик; 14 - инерциальный измерительный блок; 15 - эксперимент; 16 - двигатели системы реактивного управления; 17 - адаптер и двигательный отсек; 18 - блок диагностики ЭРДУ; 19 - объединенный блок электроники; 20 - блок распределения мощности; 21 - спектрометр MICAS; 22 - высоковольтный преобразователь мощности; 23 - экран.

DEEP SPACE 1: ОТРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ

    В полете Deep Space 1 должны быть отработаны следующие новые технологии:

    1. Ионный двигатель.
    2. Солнечные батареи.
    3. Автономная навигация.
    4. Служба удаленного агента.
    5. Контроль за состоянием КА с помощью радиомаяка.
    6. Миниатюрная интегрированная камера-спектрометр (MICAS).
    7. Плазменный эксперимент PEPE.
    8. Малый приемоответчик для дальнего космоса.
    9. Твердотельный усилитель Ka-диапазона.
    10. Микроэлектроника.
    11. Многофункциональная архитектура.
    12. Блок управления питанием.


    Ионный двигатель обеспечивает на порядок больший удельный импульс, чем у обычных бортовых ЖРД на долгохранимых компонентах топлива. А это значит, что аппарат, выполняющий ту же задачу, может нести намного меньше топлива и будет гораздо легче.
    Deep Space 1 - первый КА, использующий ионную ДУ в качестве основного движителя. Запас рабочего тела составляет всего 16.5% стартовой массы, но только в течение основной миссии аппарат должен получить суммарное приращение скорости более 3.5 км/с.
    В состав бортового ИЭРД DS1 входят ионизационная камера, высоковольтный блок управления мощностью (Power Processor Unit, PPU), цифровой блок контроля и коммутации (Digital Control and Interface Unit, DCIU), система подачи ксенона (Xenon Feed System, XFS).

DEEP SPACE 1: ОТРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ

    Работа ДУ начинается с эмиссии электронов с катода, находящегося в ионизационной камере двигателя. Электроны разгоняются в камере соленоидом и сталкиваются с атомами газообразного ксенона. При этом из атома выбивается один из его собственных электронов, и он становится положительно заряженным ионом. На выходе камеры расположена пара решеток из молибдена с разностью потенциалов до 1280 В.
    Сильное электрическое поле разгоняет ионы до скорости около 30.5 км/с, и они вылетают из сопла ДУ в открытый космос. Чтобы предотвратить накопление аппаратом отрицательного заряда и возвращение вылетевших ионов, расположенный у самого выхода камеры нейтрализующий электрод вводит в поток ионов электроны, которые нейтрализуют их заряд.
    Масса двигателя DS1 - 48 кг, диаметр сопла - 30 см. Ксенон хранится на борту в сверхкритическом состоянии под давлением свыше 70 атм и легко газифицируется. Минимальная тяга двигателя составляет 20 мН (2 гс) при потребляемой мощности 500 Вт. При работе на полной тяге в 90 мН (9 гс - вес листа бумаги!) ДУ потребляет около 2500 Вт электроэнергии. (В полете на полную тягу ИЭРД включаться не будет, поскольку СБ не могут обеспечить соответствующую мощность. Реально возможна работа на уровнях тяги от TH0 до TH15, что соответствует потребляемой мощности от 500 до 2300 Вт.)


    В ноябре 1992 г. Отделение бортовых ДУ центра Льюиса (LeRC) и Лаборатория реактивного движения объединили усилия по разработке и внедрению технологии использования солнечной электрической энергии. Основной целью программы NSTAR (NASA Solar Electric Propulsion Technology Application Readiness) была разработка солнечной электрореактивной ДУ для межпланетных станций, и в первую очередь - для первого КА по программе New Millenium.
    Первый экспериментальный образец двигателя проработал на полной тяге 2000 часов. В июне 1996 г. были начаты долговременные испытания созданного в центре Льюиса прототипа летного двигателя в барокамере JPL. Тест был успешно завершен 25 сентября 1997 г., когда ИЭРД наработал 8192 часа. Расход топлива (ксенона) при этом составил 85 кг.
    В 1995 г. NASA выдало компании Hughes Electron Dynamics Division (г.Торранс, Калифорния) контракт на 8.1 млн $ на изготовление с использованием опыта программы NSTAR двух летных экземпляров ионного двигателя (одного для КА DS1 и одного для ресурсных испытаний), а также управляющих блоков PPU и DCIU к ним. Фирма Spectrum Astro Inc. разработала блоки DCIU; JPL совместно с компанией Moog Inc. (г.Ист-Орора, штат Нью-Йорк) - систему подачи ксенона. В работе также участвовала компания Physical Science Inc. (г.Эндовер, Массачусеттс). Нетрудно видеть, что изготовление летных двигателей шло параллельно с испытаниями опытного образца. Приемочные испытания двух летных комплектов прошли в LeRC в марте и июне 1998 г.


    На DS1 установлены солнечные батареи (СБ) новой конструкции, выполненные на основе высокоэффективных солнечных фото-приемников и линз для фокусировки на них солнечного света. Это две СБ SCARLET II (Solar Concentrator Arrays with Refractive Linear Element Technology). Первая и последняя попытка использовать СБ подобной конструкции (SCARLET-I) была сделана на спутнике METEOR, утерянном при аварийном пуске РН Conestoga в октябре 1995 г. В космосе такие СБ еще не испытывались.
    Каждая из двух солнечных батарей DS1 состоит из четырех секций размером 113x160 см.
    На них находятся 3600 ячеек фотоприемников (солнечных элементов), выполненных из фосфида галлия-индия, арсенида галлия и германия. Количество дорогостоящих солнечных элементов составляет всего 15% от нормального для такой площади, однако на них фокусируют солнечный свет 720 кремниевых цилиндрических линз Френеля. Благодаря концентраторам малое количество солнечных элементов обеспечивает в начале полета (на расстоянии 1 а.е. от Солнца и без учета деградации) мощность 2400 Вт. С квадратного метра снимается 166 Вт, что на 15-20% выше современной нормы. Масса батарей составляет 58 кг, так что удельная мощность на единицу массы - около 50 Вт/кг. Выходное напряжение батарей - 100 В.
    Применение концентраторов требует высокой точности ориентации батарей по отношению к Солнцу. При отклонении угла падения от штатного всего на несколько градусов снимаемая мощность падает в несколько раз.
    Батареи типа SCARLETT были разработаны на средства Организации по защите от баллистических ракет (BMDO) МО США компаниями AEC-Able Engineering Co. (г.Голета, Калифорния) и Entech (г.Келлер, Техас) при участии LeRC. Интерес BMDO к этой разработке заключается в возможности последующего использования дешевых батарей в космических системах обнаружения и сопровождения баллистических ракет.

DEEP SPACE 1: ОТРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ

Историческая справка по американским ионным двигателям     Работы по ионным электроракетным двигателям (ИЭРД) в США начались в 1950-х годах. Первая ионная ДУ была построена инженером Исследовательского центра имени Льюиса (LeRC) д-ром Харолдом Кауфманом (Harold Kaufman) в 1959 г. Два ионных двигателя Центра Льюиса были установлены на ракете Scout, запущенной 20 июля 1964 г. с о-ва Уоллопс пот суборбитальной траектории в рамках проекта SERT-1 (Space Electric Rocket Test 1).     Один из двух двигателей на борту не сработал, второй проработал 31 мин. Следующий запуск для проверки ИЭРД был выполнен 3 февраля 1970 г. КА SERT2 был запущен носителем Thor Agena с Ванденберга. Один из двух ИЭРД на борту проработал более пяти месяцев, второй - около трех месяцев.     Сначала в качестве рабочего тела в ионных двигателях использовался цезий и ртуть - элементы с высокой атомной