New Horizons, миссия "Новые горизонты"

Плутон и Харон

Экспедиции к Плутону: "Новые горизонты"

Новые Горизонты около Плутона. Текстовая трансляция (с фотографиями)! Смотрите подробнее...

Плутон - единственная из официально признанных Международным Астрономическим Союзом планет Солнечной системы, к которой еще не приближался космический аппарат с Земли. Разработка автоматической межпланетной станции (АМС) New Horizons Pluto-Kuiper Belt для исследования Плутона была начата NASA в начале 90-х годов. В 2000-2002 годах проект был под угрозой отмены из-за сокращения финансирования: правительство США отдавало приоритет пилотируемым полетам на Луну и Марс. Однако под давлением научной общественности Конгресс США все-таки выделил средства. Не последнюю роль в его решении сыграло то, что в ближайшем будущем атмосфера Плутона замерзнет из-за постепенного удаления от Солнца.

25 февраля 2003 года руководством NASA было принято решение о начале финансирования первой экспедиции к Плутону. Поддержку получил проект "Новые горизонты" (New Horizons), одна из малобюджетных альтернатив прекращенного проекта "Койпер". Разработкой проекта "Новые горизонты" занималась группа под руководством Алана Штерна.
Старт миссии состоялся только с третьей попытки на 19 января 2006 года (22:00 по московскому времени). В космическое пространство аппарат вывела ракета носитель Атлас V. Старт космического аппарата уже дважды - 17 и 18 января - переносился на сутки. В первый раз это было связано с сильным ветром на космодроме, а второй - с аварийным отключением электроэнергии в ведущей лаборатории проекта. Первоначально "Новые горизонты" планировалось отправить в межпланетное путешествие 11 января. Однако эксперты еще в 2005 году назначили новую дату - 17 января. В этот день запуск переносился шесть раз из-за погодных условий. На мысе Канаверал во Флориде, где находится пусковая площадка, дул сильный ветер, его порывы достигали 60 километров в час. Кроме этого, на короткое время вышла из строя система космической связи. На первой ступени американской ракеты-носителя "Атлас-5", которая вывела "Новые горизонты" на траекторию межпланетного перелета, установлен уникальный российский двигатель РД-180. "Новые горизонты" - это первый аппарат такого класса, отправляющийся к другим планетам. На борту зонда New Horizons находится "радиоизотопный генератор электроэнергии", то есть компактный ядерный реактор, работающий на плутониевом топливе. По словам организаторов экспедиции, ограничиться традиционным для космических аппаратов источником энергии - солнечными батареями, в этом случае нельзя: большую часть времени зонд проведет на периферии Солнечной системы, где плотность светового потока слишком мала.

    Обязательные задачи:
    - изучить геологию и морфологию Плутона и его спутника Харона;
    - картировать состав вещества их поверхностей;
    - исследовать нейтральную атмосферу Плутона, определить скорость ее потери;
    - установить переменность во времени поверхности и атмосферы Плутона;
    - произвести стерео-съемку Плутона и Харона;
    - произвести картирование с высоким разрешением районов, прилегающих к терминатору на Плутоне и на Хароне,
    - получить карты состава выбранных областей с высоким разрешением;
    - провести поиск в верхних слоях атмосферы нейтральных молекул H, H2, HCN, CxHy и других углеводородных соединений;

ПЛУТОН - НОВЫЕ ГОРИЗОНТЫ

    Всего, по данным NASA, в реактор загружены 11 килограммов стержней из диоксида плутония. При подготовке к запуску экологи опасались, что в случае аварии этот материал будет рассеян над территорией нескольких штатов. В свою очередь, эксперты NASA и Министерства энергетики США заявили, что герметичный контейнер с плутонием выдерживает удар о землю или взрыв в воздухе, причем вероятность аварии не больше одной трехсотой. Детальные наблюдения Плутона и его окрестностей начнутся примерно за 5 месяцев до встречи. Эти данные позволят максимально точно скорректировать траекторию движения зонда. За 3 месяца до встречи, начиная с расстояния около 100 млн км, зонд New Horizons начнет картографическую съемку Плутона и Харона. А за месяц до встречи должны начаться ежедневные наблюдения Плутона. К этому моменту ученые надеются точно определить, есть ли у Плутона еще спутники (в 2005 г. у него открыли еще два спутника) и есть ли у него кольца из мелких обломков льда или скальных пород, которые могут представлять опасность для зонда при его пролете мимо Плутона. К этому времени в баке New Horizons должна остаться половина гидразинового топлива и в случае необходимости аппарат без проблем сможет изменить курс.
    В момент этого рандеву расстояние между Плутоном и Землей будет таково, что радиосигнал об этом дойдет до Земли почти через 4,5 часа. Для того чтобы отправить на Землю 2-3 самых важных снимка поверхности Плутона, понадобится несколько дней, а для передачи всего комплекта данных о Плутоне, записанных аппаратурой зонда, потребуется 9 месяцев.
    Пролетев мимо Плутона, New Horizons отправится дальше. Как было указано выше, для коррекции курса в окрестностях Плутона на зонде будет достаточно топлива, но для выхода на орбиту Плутона этого слишком мало (современные ракеты пока не могут отправлять в дальний космос такие тяжелые аппараты). Предполагается, что на своем дальнейшем пути к границе солнечной системы New Horizons проведет наблюдения и исследования нескольких астероидов из пояса Койпера, но конкретные кандидатуры астероидов будут выбраны позднее. Для этого есть еще масса времени.
    Через 53 минуты после старта зонд отделился от третьей ступени и отправился к Юпитеру, чтобы приобретенное там ускорение (гравитационный разгон) позволило ему долететь до Плутона быстрее (в феврале 2007 г. зонд должен совершить маневр в гравитационном поле Юпитера, увеличив таким образом свою скорость и изменив траекторию движения). Через 9 часов после старта он пересек орбиту Луны и отправился на периферию Солнечной системы. Кстати, на борту аппарата находится капсула с прахом открывателя Плутона Клайда Томбо (Clyde Tombaugh). Он открыл Плутон в 1930 году, когда был еще совсем молодым человеком, а умер он в 1997 г. в возрасте 90 лет. Во время запуска зонда New Horizons на космодроме присутствовала его жена Патрисия Томбо, которой сейчас 93 года. New Horizons пролетит мимо Плутона со скоростью 50235 км/ч на расстоянии около 8830 км от этой планеты.
    Полная стоимость миссии - 550 млн долларов. Аппарат будет пролетать около Плутона в июле 2015 года, со скоростью 11 км в секунду. К Харону же "Новые Горизонты" приблизится на расстояние в 27000 километров. В течение пролета аппарат должен будет получить изображения с разрешением 25 метров в пиксель, 4 цветные (с использованием основных фильтров) с разрешением 1,6 км/пиксель и изображения выбранных областей.
    Конструктивно аппарат представляет собой несимметричную шестиугольную призму из сотовых алюминиевых панелей, опирающуюся на несущий алюминиевый цилиндр, и имеет размеры 0.69х2.11х2.74 м. Его стартовая масса составляет 478 кг, из которых 77 кг приходится на топливо (гидразин) и 30 кг - на полезную нагрузку. Снаружи конструкция 'одета' в многослойное легкое теплозащитное покрытие желтого цвета. Большую часть времени аппарат будет согреваться работой собственной аппаратуры, которая выделяет порядка 150 Вт, и внутри него будет поддерживаться температура в пределах 10-30њС. Если автоматическая система мониторинга обнаружит, что выделяемая электроникой мощность ниже необходимой, будут автоматически включаться небольшие нагреватели. Во время полета во внутренней области Солнечной системы для сброса лишнего тепла будут открываться специальные 'жалюзи'. Теплоизоляция состоит из 18 слоев (дакроновая сетка, алюминизированная майларовая пленка и каптон) и одновременно служит защитой от микрометеоритов.

ПЛУТОН - НОВЫЕ ГОРИЗОНТЫ

    В состав двигательной установки КА входят топливный бак и 16 двигателей в восьми точках по периметру аппарата. Четыре двигателя для коррекций траектории, а остальные 12 тягой - для ориентации. Двигатели сгруппированы в два комплекта (основной и резервный), по восемь в каждом. Система электроснабжения аппарата состоит из радиоизотопного термоэлектрического генератора (РТГ) типа F-8, вынесенного вбок от корпуса КА, системы распределения питания. РТГ содержит примерно 11 кг двуокиси плутония-238. Он будет обеспечивать станцию мощностью до 240 Вт на начальных этапах полета, а к моменту прибытия к Плутону - около 200 Вт. Аккумуляторные батареи на станции отсутствуют, а излишек мощности, которая не нужна в данный момент, сбрасывается через шунты.
    Система связи диапазона X (8/7 ГГц) включает в себя две антенны низкого усиления LGA на противоположных сторонах КА для связи на малых расстояниях от Земли, антенну среднего усиления MGA диаметром 30 см (ширина луча 14њ) и остронаправленную антенну HGA диаметром 2.1 м (ширина луча 0.3њ), закрепленную на верхней плоскости КА. В систему связи также входит усовершенствованный цифровой приемоответчик для измерения дальности с малой потребляемой мощностью. Кроме того, в систему связи интегрирована аппаратура REX для радиопросвечивания атмосферы. Вся система является резервированной, за исключением остронаправленной антенны HGA. Передача данных из системы Плутона будет вестись со скоростью от 600 до 1200 бит/с на 70-метровые антенны Сети дальней связи NASA, причем для передачи всей научной информации по Плутону и Харону потребуется около 9 месяцев.
    Основой системы команд и обработки данных является бортовой компьютер с радиационно-стойким процессором Mongoose V с частотой 12 МГц. Для хранения данных используются два твердотельных запоминающих устройства (одно в резерве) емкостью по 64 Гбит. Бортовой компьютер, запоминающие устройства, преобразователи мощности, процессор управления и навигации, следящая электроника, а также различные интерфейсы, служащие для связи между процессорами и научными инструментами, входят в состав двух интегрированных модулей электроники IEM (основного и резервного). Определение текущей ориентации КА в пространстве осуществляется с помощью двух звездных датчиков, цифровых солнечных датчиков (в резерве), акселерометров и гироскопов, которые входят в состав основного и резервного инерциальных измерительных блоков IMU.
    В память звездных датчиков заложена звездная карта из 3000 звезд. Принцип работы заключается в следующем: 10 раз в секунду датчик делает широкоугольный снимок звездного неба, сравнивает его с картой в памяти и определяет ориентацию аппарата в пространстве. Блок IMU обновляет информацию о движении станции с частотой 100 раз в секунду. На борту КА установлена капсула с частью праха астронома Клайда Томбо, первооткрывателя Плутона. За разработку, изготовление КА и управление полетом отвечает Лаборатория прикладной физики (APL) Университета Джона Гопкинса (Мэриленд, США). На борту станции находятся семь научных приборов.
Научная аппаратура КА "New Horizons"

Видовой УФ-спектрометр Alice предназначен для изучения структуры и состава атмосферы Плутона. Прибор состоит из компактного телескопа, спектрографа и чувствительного электронного детектора с 32 пространственными и 1024 спектральными каналами в диапазоне от 500 до 1800 Ањ. В режиме 'свечения атмосферы' регистрируется УФ-излучение от частиц в ее составе. В режиме 'затмения' Солнце наблюдается через атмосферу Плутона, что позволяет определить ее состав по спектру поглощения. Масса прибора составляет 4.5 кг. Спектрометр разработан в Юго-Западном исследовательском институте (SwRI). Научным руководителем по прибору, как и по проекту в целом, является Алан Стерн. Прибор Alice должен обнаружить в атмосфере Плутона ряд атомных и молекулярных соединений и определить их концентрацию. Он же займется поиском ионосферы у Плутона и атмосферы у его спутника Харона. Кроме этого, будут составлены вертикальные профили температуры и плотности в атмосфере Плутона.

Камера/спектрометр видимого и ИК-диапазона Ralph служит для изучения геологии и морфологии поверхности Плутона и Харона, а также для составления температурных карт и определения структурного состава поверхности. В состав инструмента входит телескоп, мультиспектральная камера видимого диапазона MVIC с семью ПЗС-матрицами и картирующий композиционный ИК-спектрометр, который получил название LEISA (Linear Etalon Imaging Spectral Array - Линейная эталонная видовая спектральная матрица). LEISA работает в диапазоне 1.25-2.50 мкм, MVIC - в диапазоне 0.4-0.95 мкм с тремя панхроматическими (черно-белыми) детекторами и четырьмя цветными. Масса прибора - 10.3 кг. Разработан он Юго-Западным исследовательским институтом, Центром космических полетов имени Годдарда (спектрометр LEISA) и фирмой Ball Aerospace Corp. Научный руководитель - Алан Стерн. Ralph будет производить съемку два раза в сутки при подлете и на отлете. При сближении с Плутоном камера MVIC будет получать черно-белые и цветные снимки поверхности с высоким разрешением (250 м), снимки ночной стороны Плутона в свете Харона, а также стереоизображения для изучения топографии. Это поможет ученым уточнить радиусы Плутона и Харона и параметры их орбит. Научными задачами для камеры MVIC также являются поиск тумана и облаков в атмосфере Плутона, поиск его новых спутников и новых колец.

ПЛУТОН - НОВЫЕ ГОРИЗОНТЫ

Камера для дальней съемки LORRI (Long Range Reconnaissance Imager) рассчитана на детальную съемку с высоким разрешением и съемку с большого расстояния в видимом диапазоне. Она состоит из телескопа с апертурой 20.8 см и ПЗС-матрицы. Отличительной особенностью камеры является то, что она не содержит цветных фильтров, а также подвижных частей: аппарат будет поворачиваться к объекту съемки той стороной, на которой закреплена LORRI. Зеркала камеры изготовлены из карбида кремния (SiC), что позволит им сохранять свои фокусирующие свойства при экстремально низких температурах. Масса прибора - 8.8 кг. Разработчик - Лаборатория прикладной физики, научный руководитель - Энди Чен (Andy Cheng). Камера LORRI начнет получать снимки системы Плутона первой, примерно за 200 суток до сближения с планетой. За 90 суток до пролета Плутона с расстояния около 100 млн км полученные изображения уже будут превосходить по разрешению снимки с 'Хаббла'. Непосредственно при пролете камера будет снимать отдельные участки освещенного полушария Плутона с разрешением до 50 м.

Анализатор солнечного ветра SWAP (Solar Wind at Pluto) предназначен для изучения взаимодействия солнечного ветра с атмосферой Плутона. По причине огромного расстояния от Плутона до Солнца разработчикам пришлось создать самый большой прибор для измерения солнечного ветра. SWAP состоит из анализатора с запаздывающим потенциалом RPA (Retarding Potential Analyzer) и электростатического анализатора ESA (Electrostatic Analyzer), которые позволят регистрировать быстрые изменения скорости солнечного ветра. Масса прибора - 3.3 кг. Разработчик - Юго-Западный исследовательский институт. Научный руководитель по прибору - Дэвид МакКомас (David McComas). Планетологи полагают, что вследствие очень слабой гравитации на Плутоне (считается, что она составляет 1/16 часть от земной) планета 'теряет' в секунду до 75 кг вещества (молекулярный азот, углекислый газ, метан) из своей атмосферы. Этот процесс можно сравнить с образованием 'хвоста' у кометы, несмотря на то что размер Плутона в сотни раз превосходит средний размер ядра кометного ядра. Газы 'покидают' атмосферу в виде нейтральных атомов и молекул, которые затем ионизируются УФ-излучением Солнца. Приобретая электрический заряд, ионы и электроны 'уносятся' солнечным ветром. Регистрируя возмущения в солнечном ветре от взаимодействия с материалом из атмосферы Плутона, SWAP позволит установить свойства этого вещества.

Роль спектрометра энергичных частиц PEPSSI (Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation) состоит в поиске нейтральных атомов в атмосфере Плутона, которые приобретают заряд под действием ультрафиолета и уносятся с солнечным ветром. В целом его задачи во многом схожи с тем, чем будет заниматься прибор SWAP, но PEPSSI сможет определять энергию частиц вплоть до 1000 кэВ. Масса прибора - 1.5 кг. Разработчик - Лаборатория прикладной физики, научный руководитель - Ральф МакНатт (Ralph McNutt).

Студенческий счетчик пыли SDC (Student Dust Counter) будет выполнять регистрацию пылевых частиц, образующихся в результате столкновений между астероидами, кометами и телами пояса Койпера, а также поиск пыли в системе Плутона. Это первый научный прибор в планетной миссии NASA, который разработан, создан и управляется студентами в рамках образовательной программы. SDC состоит из двух блоков: детектора размером 45х30 см, размещенного на внешней поверхности КА и открытого для захвата частиц, и блока электроники внутри КА, который регистрирует частицы, оценивает их массу и скорость по электрическому сигналу, возникающему в детекторе при ударе. Масса прибора - 1.9 кг. Он разработан Лабораторией атмосферной и космической физики Университета Колорадо в Боулдере. Научным руководителем является Михай Гораньи (Mihaly Horanyi) из Университета Колорадо.

В полезную нагрузку также включена аппаратура для радиоэксперимента REX. Его целью является зондирование атмосферы Плутона и определение средней температуры и давления у поверхности Плутона и Харона по характеристикам радиосигнала с Земли, достигающего бортовой антенны HGA. Дополнительной задачей для REX является поиск атмосферы у Харона и объектов пояса Койпера. Аппаратура представляет собой одну печатную плату для обработки сигналов массой всего 0.1 кг. Разработчик - Лаборатория прикладной физики и Стэнфордский университет. Научный руководитель - Лен Тайлер (Len Tyler) из Стэнфорда.

"Новые Горизонты" - миссия предназначенная для облета Плутона и его спутника Харона, для трансляции на Землю изображений. После чего аппарат продолжит свое путешествие к Поясу Койпера (полет к Поясу Койпера займет еще 5-10 лет), где он должен будет исследовать объекты пояса. Первичные цели миссии - это получение глобальной геологической карты планеты и ее спутника (детали рельефа и т.д.) и характеристики атмосферы Плутона. Другие цели миссии включают в себя изучение изменчивости поверхности и атмосферы Плутона, нанесение на карту областей Плутона и Харона с высоким разрешением; изучение верхней атмосферы планеты, ионосферы, окружающего пространства; аппарат также предназначен для поиска возможной атмосферы Харона и для получения характеристик нескольких объектов Пояса Койпера. Окончание миссии планируется в 2026 году. Для полета к Плутону также некоторое время рассматривалась миссия "Pluto Kuiper Express" старт, которой намечался на январь 2010 года, но она была "отбракована".

Из истории открытий

    В феврале 1930 г. молодой американский астроном Клайд Томбо на Ловелловской обсерватории во Флагстаффе открыл новую, девятую планету Солнечной системы, получившую название Плутон.
    По представлениям древних греков, Плутон (Аид) - бог подземного царства, в котором господствует вечный мрак. В тех областях Солнечной системы, где движется Плутон, действительно очень мрачно. Среднее расстояние Плутона от Солнца в 40 раз больше расстояния Земли, а значит, света и тепла он получает в 1600 раз меньше. Солнце на небе Плутона выглядит очень яркой звездой, не имеющей видимого диска. И все же оно там светит в 300 раз ярче, чем полная Луна на нашем небе.
    Открытие Плутона не было случайным. В продолжение 15 лет на обсерватории во Флагстаффе велись поиски занептуновой планеты, которая, по расчетам основателя обсерватории Персеваля Ловелла, слегка возмущала движение Урана и Нептуна. Поиски увенчались успехом. Вскоре изображения Плутона были найдены и на более ранних фотографиях, начиная с 1914 г. Это позволило вычислить его орбиту.
    Плутон при открытии имел блеск звезды 15-й звездной величины. Наблюдать его можно только в сильные телескопы. Вследствие малых размеров видимого диска планеты очень трудно было определить ее диаметр. В период с 1979-го по 1999 год Плутон находился ближе к Солнцу, чем Нептун, а сейчас постепенно удаляется. Чем дальше от Солнца, тем ниже опускается температура на поверхности Плутона. Многие астрономы считают, что где-то после 2015-2020 года это приведет к замерзанию большей части атмосферы Плутона. В этом случае мы не сможем получить ценные данные о составе и свойствах разряженной атмосферы 9-ой планеты. Ожидания ученых пока основываются на довольно скудных данных. Во-первых, для Плутона известны скорость и форма орбиты: он движется по вытянутой эллиптической траектории, самая близкая точка которой находится по отношению к Солнцу в 30 раз дальше Земли и самая далекая - в 50 ( а.е.). Харон обращается на расстоянии 19,5 тысяч километров от общего центра тяжести. Плутон обращается вокруг Солнца за 247 земных лет, а один оборот вокруг собственной оси планета совершает за 153 часа. Этого достаточно, чтобы средствами классической механики вычислить массу - у Плутона она равна 0,21 проценту земной, у Харона - еще в 7 раз меньше. Во-вторых, яркость позволяет оценить размеры - если считать, что поверхность отражает "стандартную" долю солнечного света. Более точные сведения удалось получить, наблюдая покрытие телами звезд - но и эти выводы требуют предположения о том, что тела шарообразны. На фотографиях, полученных телескопом Hubble, можно различить оба диска, однако снимки все равно получаются недостаточно четкими. Так что, хотя ученым и удалось разглядеть на поверхности Плутона отдельные пятна, ясности это не прибавляет.