| |||||||||||||
| Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы! |
|
Исследование Солнечной Системы - Марс
| |||||
 Исследователи |
|||||
Миссии после 2012 г. |
|
Марс - красная звезда
MAVEN Старт миссии MAVEN
18 ноября 2013 г. в 13:28.00.267 EST (18:28:00 UTC) со стартового комплекса SLC-41 Станции ВВС США 'Мыс Канаверал' стартовая команда компании United Launch Alliance при поддержке боевых расчетов 45-го Космического крыла ВВС США осуществила пуск PH Atlas V ? AV-038 с американской межпланетной станцией MAVEN. Основная цель миссии - изучение современного состояния и эволюции атмосферы Марса, и в первую очередь - потери планетой своей атмосферы. Данный пуск стал 41-м для семейства Atlas V и 19-м для самой часто летающей конфигурации 401. Он также явился 623-м по программе Atlas начиная с 1957 г. и седьмым из восьми стартов 'Атласов', запланированных на 2013 г.
После первого импульса ступени Centaur была достигнута опорная орбита наклонением 26.68њ и высотой 160x325 км. После второго импульса (продолжительностью на 4 сек больше расчетной) и отделения от носителя аппарат оказался на гиперболической относительно Земли орбите наклонением 27.7њ и условным перигеем на высоте 194 км.
Расчетные характеристики отлетной орбиты были такими: гиперболический избыток скорости 12.2 км2/с2, небесные координаты асимптоты траектории - прямое восхождение 198.2њ и склонение 12.7њ. Эта траектория обеспечивает перелет к Марсу с расчетной датой прибытия 22 сентября 2014 г. Параметры гелиоцентрической орбиты КА по состоянию на 30 ноября составили:
> наклонение - 2.02њ; > расстояние от Солнца в перигелии - 0.967а.е. (144.6 млн км); > расстояние от Солнца в афелии -1.453 а.е. (217.3 млн км); > период обращения - 486.1 сут. Итак, 18 ноября в 14:21 EST (19:21 UTC) прошло отделение, а в 14:32 с борта КА была принята первая телеметрия. Еще через несколько минут были развернуты солнечные батареи и построена штатная ориентация для связи с Землей. Экспедиция к Марсу началась! Краткая история проекта
MAVEN (Mars Atmosphere and Volatile Evolution - Эволюция атмосферы и летучих веществ на Марсе) - вторая и последняя миссия в программе американских малых станций Mars Scout. Первой стал успешно отработавший на Красной планете Phoenix.
Начало проекта относится к 2003 г., а история его утверждения оказалась очень непростой. На конкурс, объявленный 18 апреля 2006 г., к августу было подано 26 предложений. 8 января 2007 г. для дополнительной проработки концепции были отобраны два проекта со сходными научными задачами - MAVEN и TGE (The Grand Escape). Руководителем MAVEN был и остается профессор Брюс Джакоски (Bruce М. Jakosky) из Лаборатории атмосферной и космической физики Университета Колорадо в Боулдере. Второй проект возглавлял д-р Алан Стерн (S. Alan Stern) из Юго-Западного исследовательского института в Сан-Антонио, который через три месяца стал во главе Директората космической науки NASA и сдал пост руководителя проекта TGE Джеймсу Берчу (James L. Burch).
В ноябре 2007 г. стало известно, что выбор между MAVEN и TGE не может быть сделан из-за 'организационного конфликта интересов'. И хотя представитель NASA тогда отрицал какое-либо отношение Стерна к этому конфликту, уже в марте 2008 г. Алан объявил о том, что покидает пост руководителя космической науки. Окончательный выбор в пользу MAVEN сделал уже его наследник Эдвард Вейлер. 15 сентября 2008 г. агентство объявило решение о запуске этого КА в астрономическое окно 2013 г. Финансирование проекта и надзор за его осуществлением вел Центр космических полетов имени Годдарда. Изготовление КА на базе решений, успешно реализованных на спутниках Mars Odyssey и Mars Reconnaissance Orbiter (MRO), поручили компании Lockheed Martin. На фирме работами руководил директор программы MAVEN Гай Бейтелшис (Guy Beutelschies). Организационная неразбериха стоила MAVEN'y двух лет задержки: на то, чтобы сделать и запустить аппарат осенью 2011 г., как планировалось первоначально, времени уже не хватало. (Если, конечно, использовать американские стандарты проектирования и наземной отработки, а не индийские...) В июле 2010 г. состоялась защита предварительного проекта, и 4 октября NASA приняло решение о переходе к этапу детального проектирования, изготовления, испытаний и запуска. Одновременно были одобрены бюджет и детальные планы работ, комплекс научной аппаратуры, а также анализ факторов риска. 21 октября 2010 г. агентство подписало с компанией United Launch Alliance контракт стоимостью 187 млн $ на запуск аппарата в ноябре 2013 г. с мыса Канаверал на ракете Atlas V. Эти средства были выделены сверх собственного бюджета MAVEN, который оценивался в 438 млн $ при утверждении, был превышен всего на 11% и фактически составил 485 млн $. Общая стоимость проекта (включая затраты на запуск, управление и связь во время основной миссии) примерно 671 млн $. 11-15 июля 2011г. в Центре Годдарда состоялась критическая защита проекта, открывшая путь к изготовлению КА, а уже 26 сентября было объявлено, что Lockheed Martin изготовила корпус аппарата. К апрелю 2012 г. в нем смонтировали топливный бак и все 20 двигателей малой тяги, а в середине августа 2012 г. двигатели были протестированы.
В сентябре специалисты приступили к окончательной сборке зонда, которая заняла пять месяцев и была завершена в начале февраля 2013 г. Последний научный прибор - спектрометр NGIMS - установили 3 апреля. До и после этого в течение нескольких месяцев аппарат проходил испытания на устойчивость к условиям выведения и полета в космическом пространстве: акустические, вибрационные, термовакуумные, на электромагнитную совместимость и т. п. 2 августа 2013 г. военно-транспортным самолетом С-17 аппарат был доставлен в Космический центр Кеннеди, где прошла окончательная подготовка его к запуску. Убедившись, что при транспортировке MAVEN не получил повреждений, специалисты произвели установку солнечных батарей и других элементов, транспортируемых отдельно от КА. Затем последовали проверки программного обеспечения и системы развертывания солнечных батарей. В октябре из-за бюджетного кризиса была приостановлена работа государственных органов, коснувшаяся и NASA. В результате возник риск срыва запуска MAVEN в намеченный срок и переноса его на 2016 год. Однако было принято решение, согласно которому миссия MAVEN соответствует критериям, допускающим исключение из режима остановки работы госструктур, и подготовка продолжалась по графику. 5 ноября аппарат укрыли створками обтекателя, и 8 ноября головная часть была установлена на носителе. Конструкция зонда
Компания Lockheed Martin является разработчиком MAVEN, она же отвечает за его сборку, испытания, предпусковые и полетные операции. Конструкция зонда выполнена на основе аппаратов MRO и Juno, спроектированных и построенных Lockheed Martin и уже испытанных в полете. Опыт, полученный при создании MAVEN, будет, в свою очередь, использоваться при разработке межпланетной станции OSIRIS-REx, которая предназначена для доставки образцов грунта с астероида 101955 Бенну (он же 1999 RQ36) и должна быть запущена в 2016 г. Подобно MRO, несущая конструкция MAVEN состоит из алюминиевых сотопанелей, укрытых с двух сторон композитными лицевыми листами и скрепленных алюминиевыми зажимами. Две квадратные панели со стороной 2.4 м и толщиной 38 мм образуют передние и задние части зонда, еще пять панелей поддерживают конструкцию. Внутри аппарата расположен центральный опорный цилиндр, внутри которого смонтирован топливный бак емкостью 1700 л. Он наддувается гелием, который содержится в титановом баллоне под давлением 330 атм. Специальная алюминиевая конструкция на задней панели зонда служит для размещения шести маршевых гидразиновых двигателей MR-107N номинальной тягой по 170 Н (17.3 кгс) каждый с пределами регулирования от 109 до 296 Н. На КА также установлены шесть двигателей ориентации и стабилизации MR-106E номинальной тягой по 22 Н (2.25 кгс) и восемь малых ЖРД MR-1030 тягой по 1 Н (0.1 кгс), используемых главным образом для сброса момента маховиков. Потеря одного двигателя любого типа не приводит к отказу КА. Электропитание аппарата обеспечивают более 2000 ячеек солнечных батарей, объединенных в четыре панели (два 'крыла' по две панели в каждом суммарной площадью 12 м2). Мощность, снимаемая с СБ, изменяется от 1700 Вт, когда Марс находится в перигелии орбиты, до 1135 Вт в афелии. MAVEN также оснащен двумя литий-ионными аккумуляторами, имеющими емкость 55 А-ч.
Системы зонда рассчитаны на работу при температуре от -15њС до +40њС. Пассивные и активные системы терморегулирования обязаны сохранить температуру в этих пределах. Пассивное терморегулирование обеспечивается специальными материалами, которые либо излучают тепло наравне с радиаторами, либо сохраняют его. Большая часть КА покрыта многослойной теплоизоляцией. Активная система представляет собой нагреватели, которые управляются датчиками или бортовым компьютером. Большинство нагревателей находится под контролем бортового компьютера, однако есть и резервный контур, который контролируется только датчиками и работает даже в случае отказа основной системы управления. Бортовым компьютером зонда является одноплатный RAD750. MAVEN оснащен двумя цифровыми звездными датчиками. Получаемые ими изображения обрабатываются с помощью специальных алгоритмов обнаружения звезд и предоставляются навигационной системе зонда. Два специальных солнечных датчика способны помочь направить солнечные батареи MAVEN на Солнце, если аппарат окажется в 'безопасном режиме'. В инерциальной системе навигации используются кольцевые лазерные гироскопы. Исполнительными органами системы ориентации являются четыре маховика, расположенные на основании в форме четырехгранной пирамиды.
Программное обеспечение (ПО) MAVEN разработано на основе 'софта', который в данный момент используется на Juno, он же, в свою очередь, берет свое начало в миссиях MRO, Phoenix и Mars Odyssey. Суммарный 'налет' этого ПО - более 100000 часов, что дает уверенность в его надежности и стабильности. MAVEN 'общается' с Землей в Х-диапазоне с помощью антенны HGA с высоким коэффициентом усиления, обеспечивающей передачу данных со скоростью до 550 кбит/с. Две антенны с низким коэффициентом усиления LGA - одна на передней, а другая на задней панели зонда - обеспечивают связь сразу после запуска, а также во время коррекций траектории и в случае ухода аппарата в 'безопасный режим'. Время прохождения сигнала в одну сторону в зависимости от взаимного положения планет составит от 4 до 20 минут. Задачи миссии и
научная аппаратура Основной целью миссии является изучение эволюции атмосферы Марса и выяснение причин и скорости ее потери планетой. Полученная информация даст ученым возможность определить, какую роль эта утрата сыграла в изменении марсианского климата и, таким образом, заглянуть в далекое прошлое Красной планеты. Специалисты полагают, что раньше атмосфера Марса была более плотной, чем сегодня, и тогда на поверхности планеты существовала вода и даже текли реки. К настоящему времени, однако, большая ее часть потеряна. Механизм утраты марсианской атмосферы изучается сегодня прибором ASPERA на европейской станции Mars Express, но необходимость в более тщательных исследованиях сохраняется. Можно выделить четыре основные научные задачи аппарата MAVEN: > Определение влияния потерь компонентов атмосферы на климатические изменения Марса сейчас и в прошлом. > Определение текущего состояния верхних слоев атмосферы и ионосферы Марса и взаимодействия их с солнечным ветром. > Определение темпов потери атмосферы, а также факторов, влияющих на этот процесс. > Определение соотношения стабильных изотопов в атмосфере Марса. Эти данные могут помочь в исследовании истории марсианской атмосферы. Для решения этих задач MAVEN будет работать на эллиптической орбите, перицентр которой находится на высоте всего 125 км (то есть в верхних слоях атмосферы Марса), а апоцентр - на высоте 6220 км. MAVEN должен выйти на орбиту вокруг Марса после сближения с планетой 22 сентября 2014 г. Шесть маршевых двигателей проработают 38 минут, чтобы вывести КА на начальную 35-часовую орбиту наклонением 75њ с перицентром на высоте 380 км. 8 течение пяти следующих недель MAVEN выполнит пять орбитальных маневров для перехода на рабочую 4.5-часовую орбиту. Продолжительность основной миссии зонда на орбите возле Марса - один земной год, с октября 2014 по октябрь 2015 г. Помимо запланированных исследований Марса, MAVEN (как и индийский MOM) сможет детально исследовать влияние на марсианскую атмосферу вещества кометы МакНота (официально - комета С/2013 А1 Сайдинг-Спринг). По счастливому стечению обстоятельств ее близкий пролет у Марса произойдет через месяц после прибытия американского и индийского зондов. На зонде MAVEN установлено восемь приборов, входящих в три комплекта, причем три из них - STATIC, IUVS и NGIMS - смонтированы на ориентируемой платформе полезной нагрузки АРР (Articulated Payload Platform). Первый комплект называется 'Аппаратура для изучения частиц и полей' PFP (Particles and Fields Package) и содержит шесть инструментов для исследования характеристик солнечного ветра и ионосферы Марса. Набор в целом и четыре из шести его приборов созданы в Лаборатории космических исследований SSL Университета Калифорнии в Беркли; прибор LPW разработан совместно с Лабораторией атмосферной и космической физики LASP Университета Колорадо в Боулдере, а магнитометр MAG изготовлен в Центре Годдарда. • SEP (Solar Energetic Particle - Солнечные энергичные частицы). Прибор определяет энергию и направление энергичных ионов водорода и гелия солнечного происхождения, поступающих в межпланетное пространство во время солнечных бурь, вспышек и корональных выбросов массы. SEP измеряет количество энергии, поступающей в атмосферу Марса на высотах от 120 до 200 км, и определяет, где именно она поглощается. Устройство поможет понять, какую роль энергичные частицы играют в нагреве и ионизации верхних слоев атмосферы, а также в ее 'разбрызгивании'. SEP является почти точной копией инструментов SST в проекте THEMIS и ЕРАСТ на аппарате Wind (они изучали, как солнечный ветер взаимодействует с земной атмосферой). Инструмент состоит из двух одинаковых двунаправленных датчиков, размещенных под углом 90њ друг к другу на противоположных сторонах КА. Габаритные размеры каждого датчика-9.7x11.2x12.7 см, масса - 0.74 кг. SEP регистирирует протоны и ионы с энергиями от 25 кэВ до 12 МэВ и электроны от 25 кэВ до 1 МэВ. Научным руководителем эксперимента является Дэвин Ларсон (Davin Larson). • SWIA (Solar Wind Ion Analyzer- Анализатор ионов солнечного ветра) измеряет плотность, температуру и скорость ионов солнечного ветра как в межпланетной среде, так и после встречи с Марсом. Используя эти данные, ученые смогут определить скорость, с которой нейтральные атомы атмосферы ионизируются солнечным ветром, а также наблюдать ускорение этих вновь возникших ионов в магнитных и электрических полях рядом с Красной планетой. Конструкция SWIA основывается на приборах, разработанных ранее для миссий FAST, Wind и THEMIS. Анализатор ионов установлен на корпусе КА и ориентирован на Солнце, обеспечивая широкий охват солнечного ветра. Прибор работает постоянно, за исключением моментов погружения КА в верхние слои марсианской атмосферы, регистрируя частицы каждые 4 сек. Грубый трехмерный датчик обозревает пространство З60њх90њ с угловым разрешением 22.5њ и регистрирует ионы с энергиями от 5 эВ до 25 кэВ. Точный трехмерный датчик имеет угловое разрешение 4.5њ и энергетическое - 10%. Научный руководитель - Джаспер Халекас (Jasper Halekas). • SWEA (Solar Wind Electron Analyzer - Анализатор электронов солнечного ветра) измеряет энергетическое и угловое распределение электронов среднего диапазона энергий. Прибор создан на базе одноименного инструмента миссии STEREO и представляет собой полусферический электростатический анализатор с дефлекторами, смонтированный на полутораметровой штанге. Поле зрения составляет 360њх120њ, угловое разрешение - 22.5њ по азимуту и 20њ по углу места. SWEA регистрирует ионы с энергиями от 5 эВ до 4.6 кэВ с энергетическим разрешением от 9 до 17% и временным - 2 сек. SWEA является совместной разработкой SSL и французского Института астрофизики и планетологии IRAP под руководством Дэвида Митчелла (David L. Mitchell).
Газ атмосферы обычно ионизируется солнечным ультрафиолетом и столкновениями с энергичными ионами и электронами. SWEA фиксирует приходящие от Солнца электроны с энергиями, достаточными для ионизации атомов. При этом прибор позволяет отделить электроны солнечного ветра от ионосферных электронов, имеющих иное распределение по энергиям. SWEA изучит электроны солнечного ветра как на дневной, так и на ночной'стороне планеты, и совместно с магнитометром MAG зафиксирует их взаимодействие с локальными магнитными полями Марса. Говоря проще, он сможет найти места, где солнечный ветер проникает к поверхности планеты и вызывает там свечение по типу полярных сияний Земли. • STATIC (SupraThermal and Thermal Ion Composition - Состав надтепловых и тепловых ионов) измеряет плотность и скорости ионов высоких энергий (водорода, гелия, кислорода и двуокиси углерода) на разных высотах в верхних слоях атмосферы Марса, вблизи перицентра орбиты. Эти высокоскоростные ионы могут уходить из атмосферы в космос, а могут возвращаться обратно в верхние слои атмосферы, вызывая ее потери от 'разбрызгивания'. Цель исследования - определить, какая доля этих ионов действительно уносится солнечным ветром, как они набирают энергию в магнитослое и в солнечном ветре и как вариации солнечной активности влияют на эти процессы. Габаритные размеры прибора 29.5x17.3x14.7 см, масса - 3.2 кг. По конструкции он представляет собой тороидальный электростатический анализатор, аналогичный прибору CODIF околоземной миссии Cluster, но в новом варианте предусмотрена толстая фольга, повышающая точность измерений. STATIC регистрирует ионы ионосферы с энергиями 0.1-10 эВ, ионы хвоста с энергиями 5-100 эВ и захваченные ионы с энергиями от 100 эВ до 20 кэВ. Поле зрения анализатора - З60њх90њ, угловое разрешение - 22.5њхбњ. Постановщик эксперимента - Джеймс МакФадден (James Р. McFadden). • LPW (Langmuir Probe and Waves - Зонд Лэнгмюра и волновой прибор) имеет в своем составе два независимых компонента, работающих на решение общей задачи, - зонд Лэнгмюра с волновым датчиком и измеритель солнечного излучения в диапазоне крайнего ультрафиолета. Первый разработан Робертом Эргуном (Robert Ergun), второй - Фрэнком Эпарвьером (Frank Eparvier) из Университета Колорадо. Специалисты Университета Калифорнии изготовили для прибора две семиметровые штанги, установленные на них чувствительные элементы и предусилители. Во время межпланетного перелета штанги находятся в свернутом состоянии в контейнерах и разворачиваются уже на орбите вокруг Марса таким образом, что по крайней мере один датчик ведет измерения в каждый момент времени. Конструкция частей прибора основана на инструментах миссий STEREO, THEMIS, RBSP, TIMED и SDO. Измерения LPW помогут обнаружить границы ионосферы Марса и оценить ее плотность. Прибор измеряет плотность и энергию ионосферных электронов в пределах от пика ионосферы до ионо-паузы. Эти данные позволят ученым вывести скорости фотохимических реакций, которые отвечают за потерю атмосферных газов. Объединяя данные волновой части LPW и магнитометра, они получат оценку поступающей в ионосферу электромагнитной энергии, которая идет на разогрев ионов. • MAG (Magnetometer - Магнитометр). Два индукционных магнитометра расположены на концах солнечных батарей MAVEN'a. Устройства MAG позволят получить информацию о магнитном поле межпланетного пространства, солнечного ветра, о марсианской ионосфере и локальных магнитных полях коры планеты, необходимую для интерпретации данных других приборов. Габаритные размеры каждого датчика -12.7x7.6x9.1 см, масса - 0.39 кг. Разработчик - Джек Коннерни (Jack Connerney). Второй комплект RSP (Remote Sensing Package - Аппаратура дистанционного зондирования) предназначен для определения общих характеристик верхних слоев атмосферы и ионосферы. В его состав входит УФ-спектрограф IUVS разработки Университета Колорадо в Боулдере и блок обработки данных. • IUVS (Imaging Ultraviolet Spectrograph - Видовой ультрафиолетовый спектрограф) позволит определить химический состав верхних слоев атмосферы и короны Марса по их УФ-излучению и измерить скорость потери атмосферой атомов водорода. Подобные приборы устанавливались на межпланетных аппаратах, направленных ко всем планетам Солнечной системы, - например, UVIS на Cassini. Прототипом IUVS является аппаратура CIPS на спутнике AIM, а его разработчиком - Ник Шнейдер (Nick Schneider). Прибор IUVS будет вести измерения в глобальном масштабе, в то время как NGIMS - в отдельных точках каждого витка. Спектрограф имеет два канала, один из которых ориентирован на марсианский горизонт, а второй - в надир. Рабочий диапазон прибора - 110-340 нм при спектральном разрешении 0.5-1.0 нм; пространственное разрешение - 6 км на лимбе и 200 км в горизонтальном направлении. С его помощью будет строиться вертикальный профиль верхней атмосферы и определяться ее состав и структура, а также пространственное распределение и вариабельность деталей. Кроме того, наблюдения захода и восхода звезд позволят составить профили СO2 в нижней атмосфере. Третий комплект содержит только один прибор NGIMS (Neutral Gas and Ion Mass Spectrometer - Масс-спектрометр нейтральных газов и ионов). Инструмент создан в Центре Годдарда под руководством Пола Махаффи (Paul R. Mahaffy) и предназначен для измерения соотношений концентраций нейтральных частиц и тепловых ионов, а также изучения изотопного состава атмосферы. Он идентичен одноименному инструменту, разработанному для неудачной кометной миссии CONTOUR*. Габаритные размеры устройства - 41.4x39.6x28 см, масса - 14 кг. NGIMS будет работать лишь вблизи перицентра на высотах 125-400 км. Его данные позволят получить информацию о составе и структуре верхних слоев атмосферы Марса и зафиксировать ее изменения в течение миссии MAVEN. Исследования покажут, как различные атмосферные явления (например, пыльные бури) и космическая погода влияют на процесс потери атмосферы. Измерение соотношений изотопов углерода, азота, кислорода и аргона позволит установить, какая доля первоначальной марсианской атмосферы была утрачена за миллиарды лет ее эволюции. Не исключено также, что они могут указать на вклад живых организмов, так как различные виды земных растений в процессе фотосинтеза немного по-разному 'подбирают' изотопы атмосферного углерода.
Сверх основной программы зонд, ресурс которого рассчитан до 2023 г., будет обеспечивать поддержание связи с марсоходами Opportunity и Curiosity, работающими на поверхности планеты. Для этого на борту КА установлена аппаратура ретрансляции в УКВ-диапазоне Electra с пропускной способностью от 1 кбит/с до 2 Мбит/с (в зависимости от текущей высоты полета). Изготовленное в JPL устройство включает приемопередатчик и геликоидальную антенну диаметром 221 мм, изготовленную в качестве запасной для ровера Curiosity. Начиная с 2016 г. MAVEN сможет также ретранслировать данные с американского аппарата InSight, с 2018 г., возможно, - с европейского марсохода проекта ExoMars, и с 2020 г. - со второго тяжелого ровера NASA. Автор: А. ИЛЬИН, | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|