Миссия New Horizons: свидание с Плутоном

Так пролет New Horizons возле Плутона представляют себе художники NASA

Ученые и инженеры NASA планируют свою жизнь на десятилетия вперед. Еще летом 2005 г. они знали, чем будут заниматься в июле 2015 г. – наблюдать за пролетом космического аппарата New Horizons возле Плутона. Предлагаем и вам приобщиться к этому важному для исследования космоса событию.

New Horizons – первый аппарат, запущенный NASA в январе 2006 г. в рамках программы по исследованию отдаленных объектов Солнечной системы New Frontiers. Основная цель New Horizons – система Плутон-Харон, но за 9,5 лет пути аппарат успел выполнить и ряд дополнительных заданий. Плюс после посещения Плутона ему предстоит изучить как минимум один объект пояса Койпера, грубо говоря, второго пояса астероидов, находящегося за орбитой Нептуна.

Плутон и его команда

Вид на систему Плутон-Харон с поверхности Гидры. Художественный концепт

Хотя в августе 2006 г., всего через полгода после запуска New Horizons, Плутон и потерял статус девятой планеты Солнечной системы, он не стал менее интересным объектом для исследования.

Это десятый по массе, после восьми планет и карликовой планеты Эрида, объект Солнечной системы. Орбита Плутона имеет значительный эксцентриситет и существенный наклон относительно плоскости эклиптики, что отличает его от настоящих планет. Плутон был официально открыт 13 марта 1930 г., хотя первые слабые изображение «планеты Икс» были получены еще в 1915 г., но, к сожалению, не идентифицированы.

Интересно, что название планеты предложила одиннадцатилетняя британская школьница Венеция Берни, интересовавшаяся астрономией и классической мифологией. Когда в 2006 г. Плутон лишали статуса планеты, Венеция сказала в интервью: «В моем возрасте мне почти все равно, но я бы предпочла, чтобы он оставался планетой». В честь женщины назван прибор Student Dust Counter на борту аппарата New Horizons.

По большому счету стоит говорить не о карликовой планете Плутон, а о двойной планете Плутон-Харон, т.к. центр масс данной системы находится вне поверхности большего тела, то есть объекты вращаются друг вокруг друга. Нечто подобное происходит и в система Земля-Луна, только здесь центр масс пока еще находится под поверхностью Земли, а вращение Луны вызывает приливные явления. Т.к. Луна удаляется от Земли со скоростью 3,74 см в год, в будущем центр масс системы переместится за пределы земного шара.

Семья Плутона

Кроме Харона, масса которого всего в 9 раз меньше массы Плутона (в система Земля-Луна соотношение 81 к 1), у карликовой планеты имеются еще 4 малых спутника. Харон был открыт почти через полстолетия после Плутона, в июне 1977 г. Обнаружение же остальных спутников косвенная заслуга New Horizons. Гидра и Никс были открыты в 2005 году после повторного анализа фотографий сделанных телескопом Hubble в рамках подготовки к запуску зонда New Horizons. Кербер и Стикс тоже нашли на фотографиях Hubble в 2011 и 2012 г. соответственно, при подготовке к коррекции траектории космического аппарата. Интересно, что Никс и Гидра скорей всего имеют форму неправильных эллипсоидов, то есть похожи на картофелины. Диаметр Харона составляет 1207 км (Плутон всего в два раза крупней – 2368 км), размер меньших спутников оценивается в 16–140 км, эти цифры будут уточнены уже очень скоро.

Плутон является одним из крупнейших объектов пояса Койпера, располагающегося за орбитой Нептуна на расстоянии от 30 до 55 а.е. от Солнца. Пояса Койпера в 20 раз шире и в 20-200 раз массивней внутреннего пояса астероидов и состоит из малых тел оставшихся после формирования планет Солнечной системы. В отличие от пояса астероидов, основную массу которого составляют горные породы и металлы, объекты пояса Койпера состоят преимущественно из льдов метана, аммиака и воды. С открытия пояса в 1992 г. число обнаруженных в нем объектов перевалило за тысячу, хотя предполагается, что за орбитой Нептуна находится до 70 тыс. объектов с диаметром более 100 км.

Исследования транснептуновых объектов поможет пролить свет на процессы раннего этапа формирования Солнечной системы. Непосредственные же задачи зонда New Horizons: картографирование поверхности Плутона и Харона, исследование геологии и морфологии Плутона и Харона, исследование атмосферы Плутона, поиск атмосферы Харона, поиск колец и новых спутников, исследование объектов пояса Койпера.

New Horizons перед последним предполетным тестом в сентябре 2005 г.

New Horizons: железо

Мечтать об исследовании Плутона с помощью космического зонда ученые стали еще в 1989 г., сразу после пролета аппарата Voyager 2 возле Нептуна, и уже в 1990 г. были проведены первые проработки подобной экспедиции. Но только в 2001 г. миссия New Horizons была утверждена окончательно.

Зонд New Horizons совсем небольшой аппарат. При массе 478 кг, 77 из которых приходится на топливо для коррекции курса и научных экспериментов, он похож по форме и сравним размерами с роялем, к крышке которого приделана параболическая антенна, а сзади прикреплен черный цилиндр РИТЭГ (радиоизотопного термоэлектрического генератора). Тем не менее, чтобы забросить малыша на край Солнечной системы понадобилась ракета Lockheed Martin Atlas V в самой мощной конфигурации 551, с пятью твердотопливными ускорителями. Это был первый старт настолько тяжелой версии Atlas V. Кстати, Atlas V использует те самые российские жидкостные ракетные двигатели РД-180, замену которым NASA активно ищет. New Horizons стал самым быстрым запущенным землянами космическим аппаратом, достигшим скорости 16,5 км/с после старта и сразу же легшим на траекторию ухода из Солнечной системы. При этом самым быстрым рукотворным объектом в космосе все же оставался Voyager 1, после гравитационных маневров возле Юпитера и Сатурна его скорость достигла 17,14 км/с. New Horizons предстоял только один подобный разгон возле Юпитера.

Особенность New Horizons в том, что все научное оборудование жестко закреплено на корпусе зонда и для проведения измерений космический аппарат необходимо поворачивать. На земной орбите для этого применяются гироскопы ориентации, но энергооснащенность New Horizons не позволяет использовать данный метод, так что ориентация зонда будет проводится с помощью микродвигателей.

Питание аппарата осуществляется с помощью РИТЭГ, содержащего 11 кг оксида плутония-238. Символично, что химический элемент плутоний назван как раз в честь планеты Плутон и открыт через 10 лет после нее. Изотоп плутония-238 ранее получали как побочный продукт выработки оружейного плутония. В рамках программы ядерного разоружения выработка оружейного плутония была прекращена в США и СССР в 1988 и 1994 гг. соответственно, что сделало изотоп крайне дефицитным, очень дорогим и серьезно затруднило жизнь NASA. В частности, отсутствие достаточного количества плутония-238 привело к отказу от нескольких дальних миссий и к использованию на марсианских роверах Spirit и Opportunity солнечных батарей вместо РИТЭГ. Стоимость 1 кг плутония-238 составляет около $1 млн. На текущий момент запас изотопа в США всего 12 кг, а возобновленная в Национальной лаборатории Оук-Ридж выработка не превышает 1,5 кг в год. Так что NASA приходится очень тщательно планировать каждую миссию.

Черный ребристый цилиндр слева – это и есть РИТЭГ

РИТЭГ New Horizons в момент старта в 2006 году вырабатывал 250 Вт энергии. Его мощность падает на 5% каждые 4 года, так что сегодня она составляет около 200 Вт. Это значительно меньше 470 Вт у РИТЭГ Voyager 1 и Voyager 2, запущенных в 1977 г. Именно в связи с недостатком энергии миссия New Horizons завершится около 2020 г., в то время как «Вояджеры» смогут проработать до 2025 г.

Четыре бортовых компьютера New Horizons, основные и резервные системы управления и обработки данных, значительно уступают по мощности компьютерам современных марсианских роверов . Системы построены на базе устойчивых к радиации чипов Mongoose-V, работающих на частоте 12 МГц. Mongoose-V – это специальная версия RISC процессора MIPS R3000, разработанного еще в середине 80-х годов прошлого века. Например, на MIPS R3000A с частотой 33,8 МГц были построены консоли PlayStation (1994 г.), а в PlayStation 2 (2000 г.) такой же чип использовался в качестве I/O-процессора. Для временного хранения полученной научной информации на New Horizons используются два блока защищенной флэш-памяти по 8 ГБ.

Стоимость процессора Mongoose-V с системной платой составляет $23 000 в партиях от 50 штук

Компьютеры New Horizons уже дважды серьезно сбоили. Первый раз в марте 2007 г., когда из-за некорректируемой ошибки памяти система перезагрузилась, отправив зонд в спящий режим. Через два дня космический аппарат пришел в норму, но часть данных о магнитосфере Юпитера была утеряна. Вторая ошибка произошла неделю назад. 4 июля 2015 г. New Horizons снова перешел в safe mode, на этот раз из-за программной ошибки. За сутки специалистам удалось привести аппарат в чувство, но потерянное время не позволит ученым получить 30 из 500 запланированных фотографий Плутона. Сложность в диагностике и управлении зондом обусловлена огромным расстоянием до него. Радиосигнал идет от Земли до Плутона 4,5 часа, общее же время задержки составляет около 9 часов.

Большое расстояние влияет и на скорость связи. В районе Плутона скорость обмена данным с New Horizons составляет не более 1 кбит/с, в то время как в районе Юпитера она равнялась 38 кбит/с. На Земле сигнал принимают 70-метровые антенны сети NASA Deep Space Network, антенна самого зонда имеет диаметр 2,1 м. При такой низкой скорости передачи данных New Horizons понадобится 3 часа, чтобы переслать 1 МБ информации. Для того же, чтобы транслировать на Землю все собранные во время пролета возле Плутона данные уйдет более 3 месяцев. Вот здесь и пригодятся упомянутые выше банки данных временного хранения на 8 ГБ.

Монтаж длиннофокусной камеры LORRI

New Horizons несет на себе семь научных инструментов: ультрафиолетовый спектрометр для изучения состава атмосферы и структуры поверхности Плутона; длиннофокусную камеру с CCD-матрицей 1024×1024 точки; телескоп, работающий в оптическом и инфракрасном диапазоне; измеритель параметров частиц солнечного ветра для определения магнитосферы Плутона; спектрометр энергетических частиц; детектор космической пыли, разработанный студентами Колорадского университет в Боулдере; радиоспектрометр для исследования атмосферы Плутона.

Что успел изучить New Horizons

New Horizons во время пролета мимо Юпитера. Художественное изображение

Для экономии топлива на время подлета New Horizons к Плутону не планировалось дополнительных исследований. Но ученые проекта смогли обнаружить небольшой астероид 132524 APL на расстоянии 101 867 км от которого проб прошел 13 июня 2006 г. Событие позволило протестировать способность инструментов New Horizons отслеживать быстро перемещающиеся объекты. Сам 132524 APL ничем не примечательный астероид диаметром 2,5 км, совершающий оборот вокруг Солнца каждые 4,2 года.

Гравитационный маневр возле Юпитера позволил ученым более четырех месяцев изучать планету-гигант, а кроме того разогнал New Horizons до фантастической скорости 23 км/с, что позволило на 3 года сократить время полета к Плутону. Текущая скорость аппарата 14,56 км/с. Максимальное приближение, 2,3 млн. км от самой большой планеты Солнечной системы, состоялось 28 февраля 2007 г. Количество собранной информации о Юпитере и его лунах превосходит максимальный объем данных, который New Horizons сможет передать от Плутона, в том числе и из-за того, что скорость передачи информации на границе Солнечной системы упадет в 40 раз.

Извержение вулкана патеры Тваштара на Ио. Анимация на базе серии фотографий New Horizons

За 4 месяца зонд успел изучить знаменитое Красное пятно Юпитера, получить информацию о кольцах планеты (у Юпитера, как и у Сатурна есть кольца, только намного более тонкие), ее атмосфере и магнитосфере. Наиболее интересными снимками, полученными аппаратом, являются фотографии колоссального извержения на спутнике Ио. Выбросы вулкана патеры Тваштара достигли высоты 330 км и имели необычную волокнистую структуру.

New Horizons возле Плутона. Художественное изображение

Мимо Плутона и дальше

2/3 времени полета до Плутона New Horizons провел в спящем режиме из которого вышел 6 декабря 2014 г. При текущей скорости аппарата выход на орбиту вокруг малой планеты невозможен, так что зонд просто пролетит возле Плутона.

Удаленное изучение Плутона началось в январе 2015 года, но только 5 мая 2015 года New Horizons смог получить фотографии малой планеты с разрешением выше, чем снимки телескопа Hubble. 12 мая аппарат сделал снимки всех известных на сегодня спутников Плутона, а 30 июня подтвердил наличие на планете метанового льда.

Максимально сближение New Horizons с Плутоном состоится 14 июля 2015 года, аппарат пролетит на расстоянии 12 500 км от малой планеты. Наблюдать за пролетом можно на официальном сайте миссии или на сайте NASA. Впрочем, учитывая задержку сигнала в 4,5 часа и низкую скорость загрузки фотографий основные научные данные появятся позже.

Предполагаемый вид одного из объектов пояса Койпера. Художественное изображение

После завершения миссии возле Плутона New Horizons углубится в пояс Койпера. В 2018-19 гг. зонд после коррекции траектории сможет встретиться с одним или двумя ОПК, объектами пояса Койпера. На текущий момент, с учетом запаса топлива, отобраны три кандидата с невзрачными именами – 2014 MU69, 2014 OS393 и 2014 PN70. Для достижения астероида 2014 MU69 диаметром 40-70 км понадобится около 30 % оставшегося топлива, пролет возле чуть более крупного 2014 PN70 съест все топливо. Решение ученые NASA должны принять уже в августе 2015 г.

Теоретически миссия New Horizons продлится до 2020 г., пока хватит энергии РИТЭГ.

За горизонтом

Космический аппарат Juno возле Юпитера. Художественное изображение

На сегодня в рамках программы New Frontiers проводятся одновременно три миссии по исследованию дальнего космоса. Первая из них – New Horizons.

Вторая стартовала 5 августа 2011 г. с запуском аппарата Juno к Юпитеру. Juno выйдет на полярную орбиту вокруг Юпитера через год, в июле 2016 г. Задачи зонда – исследование полюсов, атмосферы и магнитосферы крупнейшей планеты. В конце миссии аппарат будет сведен с орбиты и погрузится в атмосферу гиганта.

Третьим аппаратом программы New Frontiers станет зонд OSIRIS-REx, запуск которого намечен на 2016 г. Перед OSIRIS-REx стоит фантастическая задача сблизиться с астероидом 101955 Bennu и в 2023 г. вернуть образец его грунта на Землю.

Выбор объекта для четвертой миссии New Frontiers состоится в 2016 г., а запуск аппарата намечен на 2021 г. Среди рассматриваемых вариантов: посадка спускаемого аппарата с аэростатом на Венеру; возвращение образца грунта глубокого залегания с Луны; исследование троянских астероидов Юпитера; возврат образца грунта с кометы; изучение атмосферы Сатурна с помощью проба.

Миссия New Frontiers 5 пока еще обсуждается. Возможные варианты в дополнение к названным выше: исследование вулканов на спутнике Юпитера Ио; создание геофизической сети из нескольких посадочных модулей на Луне для исследования внутренней структуры спутника.

Как и говорилось в самом начале – ученые и инженеры NASA планируют свою жизнь на десятилетия вперед. Они умеют терпеливо ждать, и их тяга к знаниям впечатляет. Как и то, что правительство США продолжает выделять деньги на фундаментальные исследования космоса, которые, казалось бы, не могут принести никакой сиюминутной выгоды. Просто человечеству нужна мечта, нужны новые рубежи, чтобы зажигать сердца тех, кто готов смело идти туда, куда не ступала еще нога человека.