НОВЫЕ ГОРИЗОНТЫ

1 ЧАСТЬ

Сейчас по наблюдениям покрытий звезд Плутоном известно, что его диаметр лишь 2306±20 км. Масса Плутона оценивается в 1.3·1022 кг, что составляет лишь 0.21% массы Земли, средняя плотность – в 2.06 г/см3. Отражающая способность разных районов поверхности различна – от 0.49 до 0.66, но оба предельных значения очень высоки. В 1988 г. при покрытии звезды была обнаружена атмосфера Плутона с давлением не более 0.15 Па, а в 2002 г. ее давление оценили в 0.30 Па. Предполагается, что она существует только вблизи перигелия и состоит из азота и окиси углерода, которые присутствуют в твердом состоянии и на поверхности; в спектре также уверенно выявляется метан. Температура по верхности Плутона оценивается в 33–55 К. Плутон обращается вокруг Солнца по орбите с периодом 248 лет и находится в резонансе с Нептуном (его период 164.8 года). Вблизи перигелия он ближе к Солнцу, чем Нептун. 

    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.

"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. 

  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. 

14 июля 2015 г. в 11:59 UTC станция New Horizons пройдет на минимальном расстоянии около 10000 км над поверхностью Плутона; минимальное расстояние от Харона составит 27000 км. Максимально научная аппаратура будет использована за 12 часов до пролета и через 12 часов после него, а непосредственно при самом пролете будут получены самые детальные снимки поверхности в видимом и ближнем ИК диапазоне с разрешением не хуже 25 м. 

    Примерно через две недели после пролета Плутона и Харона группа управления выдаст станции New Horizons команду на включение двигателей коррекции, которые изменят курс аппарата и направят его к одному из тел пояса Койпера. Достигнуть новой цели аппарат должен будет в течение следующих 2–3 лет. 

Интересно отметить, что New Horizons стал не только первым КА для исследования Плутона, но и первым земным аппаратом, получившим уже при отлете от Земли скорость, достаточную для ухода из Солнечной системы. Четыре другие межпланетные станции (Pioneer 10 и 11, Voyager 1 и 2) также приобрели отлетную скорость, но не у Земли, а после пролета Юпитера, а Pioneer 11 - только после встречи с Сатурном. 

Научные задачи миссии

    Проект New Horizons осуществляется для решения трех групп задач. 

    Обязательные: 

    - изучить геологию и морфологию Плутона и его спутника Харона; 

    - картировать состав вещества их поверхностей; 

    - исследовать нейтральную атмосферу Плутона, определить скорость ее потери. 

    Важные: 

    - установить переменность во времени поверхности и атмосферы Плутона; 

    - произвести стереосъемку 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; 

    - изучить взаимодействие ионосферы Плутона с солнечным ветром; 

    - провести поиск в верхних слоях атмосферы нейтральных молекул H, H2, HCN, CxHy и других углеводородных соединений; 

    - выполнить поиск атмосферы у Харона; 

    - определить отражающую способность поверхности Плутона и Харона; 

    - составить температурные карты поверхностей Плутона и Харона. 

    Желательные: 

    - исследовать Плутон и Харон на наличие у них магнитного поля; 

    - определить характер среды энергичных частиц вблизи них; 

    - уточнить радиус, массу, плотность и параметры орбит Плутона и Харона; 

    - выполнить поиск новых спутников и колец. 

    В том случае, если исследование системы Плутон Харон будет успешным, возможно продление миссии еще на 5–7 лет с целью изучения с пролетной траектории еще одного двух тел из занептунного пояса Койпера. 

Конструкция КА

    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 10–30°С.

Теплоизоляция состоит из 18 слоев (дакроновая сетка, алюминизированная майларовая пленка и каптон) и одновременно служит защитой от микрометеоритов. 

    В состав двигательной установки КА входят топливный бак и 16 двигателей в восьми точках по периметру аппарата. Четыре двигателя тягой по 4.4 Н предназначены для коррекций траектории, а остальные 12 тягой по 0.8 Н – 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. РТГ содержит примерно 11 кг двуокиси плутония 238. Он будет обеспечивать станцию мощностью до 240 Вт на на чальных этапах полета, а к моменту прибытия к Плутону – около 200 Вт. Аккумуляторные батареи на станции отсутствуют.

Система связи 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 и остронаправленную антенну HGA диаметром 2.1 м, закрепленную на верхней плоскости КА. 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. 

Определение текущей ориентации КА в пространстве осуществляется с помощью двух звездных датчиков, цифровых солнечных датчиков (в резерве), акселерометров и гироскопов.

На борту КА установлена капсула с частью праха астронома Клайда Томбо, первооткрывателя Плутона. 

Научная аппаратура

    На борту станции находятся семь научных приборов:

    - Видовой УФ-спектрометр Aliceпредназначен для изучения структуры и состава атмосферы Плутона. Масса прибора составляет 4.5 кг, средняя потребляемая мощность - 4.4 Вт. 

- 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.

   - Камера для дальней съемки LORRI(Long Range Reconnaissance Imager) рассчитана на детальную съемку с высоким разрешением и съемку с большого расстояния в видимом диапазоне.

- Анализатор солнечного ветра SWAP(Solar Wind at Pluto) предназначен для изучения взаимодействия солнечного ветра с атмосферой Плутона.

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.

Первые дни полета

    Начало самостоятельного полета не принесло больших проблем группе управления в APL. Радиоконтроль траектории показал небольшие, на уровне не более 10-7 g, ускорения в результате испарения воды из элементов конструкции КА. Частота битовых ошибок в бортовой памяти оказалась выше ожидаемой, но они исправляются автоматически при ежеминутном контроле. 

    22 января скорость вращения аппарата была снижена с 19.2 об/мин, которые он имел после отделения от Star 48B, до 5 об/мин. 

Следует отметить, что New Horizons был выведен на орбиту с минимальной погрешностью, которая оказалась намного меньше той, что предсказывали перед запуском. Скорость, полученная аппаратом, отличалась от расчетной всего на 18 м/с вместо допустимых 100 м/с. 

Закончился второй год полета американского КА New Horizons по трассе Земля - Юпитер - Плутон. New Horizons стартовал 19 января 2006 г. и 28 февраля 2007 г. совершил гравитационный маневр у Юпитера с выходом на траекторию пролета Плутона.

Станция New Horizons впервые отсняла в деталях Малое Красное пятно - копию знаменитого Большого пятна, сформировавшуюся в конце 1990-х при слиянии трех меньших по размеру атмосферных штормов.

Станция засняла в подробностях динамику колец Юпитера, которой управляют маленькие спутники-«пастухи» Метис и Адрастея. Съемка выявила в кольцах дуги и скопления пыли, природа которых пока остается неясной.

Из крупнейших спутников планеты наибольшее внимание было уделено активной вулканической Ио. Аппарат обнаружил 11 выбросов, из которых три наблюдались впервые. Самой крупной оказалась «шапка» извержения вулкана Тваштар высотой в 320-360 км над поверхностью спутника и шириной до 1000 км.

На Европе КА пронаблюдал таинственные кольцевые троги в ледяной коре спутника, впервые обнаруженные станцией Galileo. По их распределению, размерам и глубине ученые рассчитывают уточнить толщину слоя льда, под которым находится глобальный океан Европы. 

К 31 января 2008 г. станция удалилась от Солнца на 8.79 а.е., или на 1314.6 млн км; ее гелиоцентрическая скорость составляла 18.940 км/с. В июне 2008 г. аппарат пересечет орбиту Сатурна. 

 С 5 по 14 июля 2013 г. команда американского зонда New Horizons с успехом провела детальную репетицию пролета через систему Плутона. В ходе теста аппарат отрабатывал ту же программу, что предстоит выполнить двумя годами позже: начиная за семь суток до встречи с планетой и кончая моментом через двое суток после нее.

New Horizons на подходе к Плутону

    До Плутона осталось всего 150 миллионов километров! Всего одна астрономическая единица из 30 лежащих между Солнцем и бывшей девятой планетой Солнечной системы.

    15 января 2015 г. официально началась фаза подлета к Плутону американского межпланетного аппарата New Horizons. 25 января зонд приступил к навигационным съемкам цели, что стало началом практической подготовки к главному событию проекта.

  20-27 июля аппарат выполнил первый цикл навигационной съемки Плутона с помощью камеры LORRI. Целью его было дальнейшее уточнение орбиты и прогноза движения Плутона и Харона. 

    26 августа в 02:04 UTC New Horizons пересек орбиту Нептуна на расстоянии около 4.4 млрд км от Солнца и 4.0 млрд км - от самой планеты. Огромное расстояние, и тем не менее 10 июля New Horizons сумел отснять Нептун и его спутник Тритон на фоне звезд и тем самым уточнить свое собственное положение в пространстве. 

Что после Плутона?

    Первоначальное название проекта New Horizons было Pluto - Kuiper Belt, что подчеркивало его задачу: изучение Плутона и других тел занептунного астероидного пояса Койпера. 

    На начало 2015 г. было известно 1353 тела пояса Койпера, но было бы наивно считать, что какое-то из них «подвернется» на пути аппарата после пролета Плутона на фоне созвездия Стрельца. Мысленно подсчитайте площадь сферы радиусом 44 а.е., разбросайте по ней равномерно 1353 точки, и вы увидите, что эти известные тела разделены не миллионами, а сотнями миллионов километров. 

Критерий успеха выглядел так: если в пробной серии Космический телескоп увидит по крайней мере два объекта с подходящим блеском, то методика поиска будет признана годной и будет дано разрешение использовать всё выделенное наблюдательное время уже для полноценного поиска в потенциально доступной для New Horizons зоне.

Зоркий глаз Космического телескопа сумел найти не одно, а сразу пять небесных тел пояса Койпера, в принципе доступных для New Horizons! 

Как было объявлено 15 октября, найденные астероиды оказались небольшими, всего 1-2% от диаметра Плутона, но все же в 10 раз крупнее типичных кометных ядер. Все три находились в 43-44 а.е. от Солнца, то есть примерно на 10 а.е. дальше, чем Плутон, и не были доступны для наблюдений земными инструментами. Один астероид, с условным обозначением РТ1, был признан «определенно достижимым», а два других, РТ2 и РТЗ, - «условно достижимыми»: требовались дополнительные наблюдения для уточнения их орбит. 

Источник: zorkoeoko.ru