Научно-популярно о космосе и астрономии

Предыдущий пост Поделиться Следующий пост
Пролетаем Плутон с «Новыми Горизонтами»
lozga
01.jpg
На этой неделе нас ждет историческое событие - впервые земной аппарат пролетит мимо Плутона. Зонд "Новые Горизонты" днем 14 июля окажется на расстоянии всего 12 500 км от карликовой планеты. Но из-за того, что скорость передачи данных на таких расстояниях составит примерно 1 килобит в секунду, данные с зонда будут передаваться месяцами. Посмотреть на пролет мимо Плутона в режиме онлайн-трансляции не получится, но это не беда. Благодаря сообществу энтузиастов мы можем пролететь мимо Плутона виртуально, в космическом симуляторе Orbiter, и почти самому посмотреть на то, как будет проходить это событие.

Немного матчасти


02.jpg
"Новые Горизонты" в монтажно-испытательном комплексе

Зонд "Новые Горизонты" имеет начальную массу 478 кг, из которых 77 кг занимает топливо (гидразин) и 30 кг - научная аппаратура. В качестве источника электроэнергии используется РИТЭГ с 11 кг плутония-238. На момент прибытия к Плутону РИТЭГ вырабатывает примерно 200 Вт мощности. Аппарат закутан в многослойное теплозащитное покрытие (дакрон, майлар, каптон), которое также служит для защиты от микрометеоритов, и обогревается теплом, выделяющимся при работе электроники. Для сброса лишнего тепла во внутренних регионах Солнечной системы предусмотрены жалюзи, а если тепла от электроники окажется недостаточно, то автоматика включит нагреватели. На зонде установлены две антенны низкого усиления (для связи на малой дальности) и по одной антенне среднего и высокого усиления. Двигательная установка состоит из 16 двигателей, объединенных в две группы по 8 для большей надежности. В каждой группе два двигателя тягой 0,5 кг используются для коррекции траектории, а 6 двигателей тягой 80 грамм для ориентации. Бортовой компьютер имеет радиационно-стойкий процессор с частотой 12 МГц и твердотельный накопитель на 8 ГБ. Компьютер и накопитель также дублированы. Для определения положения аппарата в пространстве используются два звездных датчика, два солнечных датчика (резерв) и два инерциальных измерительных блока с гироскопами и акселерометрами. Ориентация аппарата в пространстве производится с помощью двигателей, в режиме полета к цели зонд также стабилизируется вращением.

03.jpg

04.jpg

05.jpg

На борту "Новых Горизонтов" установлены семь научных приборов:

  • Alice. Спектрометр УФ-диапазона. Его задача - определить параметры атмосферы Плутона. В режиме свечения атмосферы он фиксирует то, что атмосфера излучает в УФ-диапазоне, а в режиме затмения, когда "Новые Горизонты" будут пролетать через тень Плутона, он определит состав атмосферы по спектру поглощения солнечного света. Модификация этого прибора также стоит на зонде "Розетта".

  • Ralph. Камера и спектрометр видимого и ИК-диапазонов. Она даст нам черно-белые и цветные снимки поверхности и даже стереоизображения для изучения топографии.

  • LORRI. Телескоп видимого диапазона для съемок с большой дальности и получения детальных снимков поверхности. Изначально говорили о разрешении 50 м/пиксель, сейчас называют цифру 100 м, посмотрим, что получится в итоге.

  • SWAP. Анализатор солнечного ветра. Самый большой прибор в своем классе из-за удаленности Плутона от Солнца.

  • PEPSSI. Спектрометр энергетичных частиц. Дополняет SWAP и отличается от него тем, что может фиксировать частицы гораздо более высоких энергий.

  • SDC. Студенческий детектор космической пыли. Фиксирует массу и скорость частиц, с которыми сталкиваются "Новые Горизонты".

  • REX. Антенна высокого усиления будет использоваться не только для связи с Землей, но и для зондирования атмосферы Плутона в радиодиапазоне.



Запуск


06.jpg

Подготовка к старту и запуск не обошлись без неприятностей. Осенью 2005 года на мыс Канаверал пришел ураган Вильма, который повредил ускоритель первой ступени обломками ворот монтажно-испытательного комплекса. Ускоритель пришлось менять. Бак горючего первой ступени пришлось дополнительно проверять, потому что аналогичный бак разрушился на испытаниях. Все эти происшествия сдвинули старт с 11 на 17 января. С каждым днем баллистическая ситуация ухудшалась, Земля уходила из района перицентра своей орбиты, и на то, чтобы преодолеть притяжение Земли и Солнца нужно было потратить все больше топлива. Меньше топлива оставалось на разгон, а это удлинняло путь к Плутону. А старт после 2 февраля делал невозможным гравитационный маневр у Юпитера, что задержало бы миссию еще сильнее.
17 января старт не состоялся - помешал сильный ветер. 18 января внезапно обесточился центр управления зондом. 19 января старт пришлось отложить на 52 минуты из-за низкой облачности, но, наконец, в 19:00 UTC "Новые Горизонты" оторвались от земли:



Спустя ~100 секунд отделились боковые ускорители первой ступени, их было целых пять - для запуска использовался самый тяжелый вариант ракеты-носителя "Атлас V". Спустя четыре с половиной минуты отключились российские двигатели РД-180, стоявшие на первой ступени, а спустя десять минут вторая ступень вышла на опорную орбиту. После двадцатиминутной паузы двигатель второй ступени включился вновь, и "Новые Горизонты" достигли скорости 12,4 км/с. Затем пришла очередь твердотопливного разгонного блока Star-48. Связку зонда и разгонного блока раскрутили до 60 оборотов в минуту, и после ~80 секунд работы двигателя "Новые Горизонты" разогнались до 16 км/с относительно Земли, став первым аппаратом, развившим третью космическую скорость сразу с земной орбиты ("Пионеры" и "Вояджеры" достигли ее только после гравитационного маневра у Юпитера).


Анимация отделения от разгонного блока и дальнейшего полета

Пролет Юпитера


Спустя всего год, в феврале 2007 года "Новые Горизонты" пролетели мимо Юпитера на расстоянии 2,3 млн. км (примерно 32 диаметра), получив "бесплатные" 4 км/с за счет гравитационного маневра и сократив путь к Плутону на три года. Научные приборы не только проверили в реальном сценарии пролета небесного тела, но и собрали интересные данные. После окончания миссии "Галилео" в 2003 году окрестности Юпитера никто не посещал, а приборы "Новых Горизонтов" были гораздо лучше.

07.jpg
Большое красное пятно глазами Ralph

08.gif
Анимация вулкана на Ио

Плутон


После Юпитера "Новые Горизонты" годами летели в спящем режиме. Орбиту Сатурна зонд пересек в июне 2008, Урана - в марте 2011. Несмотря на то, что отдельные приборы начали работать раньше, полностью зонд "проснулся" 6 декабря 2014 года. И, начиная с января, мы получаем все более близкие фотографии Плутона и его спутников:

09.gif

10.gif

11.jpg
Плутон. Самый свежий снимок от 11 июля

Циклограмма пролета уже известна, ее можно посмотреть, скачав приложение NASA's Eyes с официального сайта или посмотрев запись на YouTube (лучше разверните на весь экран):



А мы с вами посмотрим на этот пролет в Orbiter. Для этого нам понадобится:

Порядок установки:

  1. Распаковываем в папку симулятора "Pluto and Moons".

  2. В папке \Config симулятора добавляем в файл Sol.cfg строки
    Planet## = Pluto
    Pluto:Moon1 = Charon
    Pluto:Moon2 = Nix
    Pluto:Moon3 = Hydra
    
    заменив решетки на номер планеты. В моем случае последний номер был 8, меняем ## на 9:
    12.jpg

  3. Распаковываем в папку симулятора "New Horizons".

  4. Распаковываем в папку симулятора "New Horizons Pluto Encounter", перезаписывая существующие файлы.


Запускаем Orbiter. Нужный нам сценарий так и называется - New Horizons - Pluto Encounter
13.jpg

Привет, Плутон!
14.jpg

Клавиши управления:

  • F1 - переключение вида от первого/третьего лица.

  • T - ускорить время в 10 раз, R - замедлить.

  • Клавиши управления ориентацией:
    15.jpg
    И очень полезная Num 5 останавливает вращение по всем осям.

  • Z - уменьшить поле зрения (приблизить объект), X - увеличить поле зрения (отдалить объект)

  • F9 - режим планетария, с подписанными названиями объектов и созвездиями.

  • H - режим индикатора на лобовом стекле. Циклически переключает режимы Орбита/Поверхность/Стыковка.



Плутон в прицеле:
16.jpg

14 июля:
17.jpg

11:11 UTC, Плутон и Харон крупным планом, до точки максимального сближения меньше часа.
18.jpg

11:32 UTC. Снимут ли "Новые Горизонты" такое фото?
19.jpg

11:50 UTC (14:50 МСК). Точка максимального сближения находится уже с внешней стороны орбиты Плутона, отсюда он будет виден как серп.
20.jpg

12:50 UTC (15:50 МСК). Входим в тень Плутона. Спектрометр Alice будет собирать здесь очень интересные данные.
21.jpg

14:15 UTC (17:15 МСК). Входим в тень Харона.
22.jpg

~20 часов UTC 14 июля. Из окрестностей этой точки "Новые Горизонты" должны послать сигнал "звонок домой", означающий, что все прошло благополучно. На Земле его примут примерно в 4 часа утра по Москве.
23.jpg

Небольшой FAQ


Будет ли онлайн-трансляция с зонда?
Нет, не будет. 14 июля зонд будет лететь почти все время в режиме радиомолчания. Это связано с тем, что антенна и научные приборы жестко закреплены на корпусе, и можно либо собирать данные, либо передавать их на Землю. К тому же скорость передачи данных низкая, в районе 1 килобита в секунду. В таком режиме одна фотография LORRI будет передаваться примерно час. Я уж не говорю о том, что антенны Deep Space Network, которые работают с межпланетными станциями, не отданы целиком для нужд "Новых Горизонтов", в Солнечной системе хватает станций, с которыми надо работать, и ЦУП "Новых Горизонтов" счастлив, если получает 8 часов антенного времени в сутки.

А на что тогда ориентироваться, каких событий ждать?
Самое важное событие, о котором будет известно общественности - это "звонок домой" в районе 4 утра по Москве. Он будет означать, что "Новые Горизонты" ни с чем не столкнулись, не ушли в безопасный режим, и не случилось никаких других происшествий.

Когда будут новые уникальные фотографии?
Фото Плутона с участка максимального сближения ожидают получить 15 июля, фото Харона ожидаются 16 числа. Первые цветные фото ожидаются в районе 18 июля. А передача всех собранных данных займет месяцы, ее планируют завершить аж в 2016 году.

А почему такая медленная связь?
Скорость связи определяется возможностью отличить сигнал от шума. Говоря очень простым языком, чем меньше мощность передатчика, меньше антенна и больше расстояние, тем медленнее приходится передавать данные, чтобы их можно было разобрать на принимающей стороне. Антенна размером с телескоп Аресибо, запитанная от АЭС, смогла бы передавать данные гигабитами, если не терабитами в секунду. "Новым Горизонтам" с антенной диаметром 2 метра и бортовым источником энергии в 200 Вт приходится довольствоваться гораздо меньшим.
Также см. теоремы Шеннона для канала с шумами.

Что с "Новыми Горизонтами" будет потом?
После пролета Плутона будут произведены поиски подходящего объекта в поясе Койпера. Специфика траектории означает, что подходящая цель должна быть в очень узком конусе, например, Эрида в качестве цели точно не подходит.

А можно было выйти на орбиту Плутона?
"новые Горизонты" имеют скорость относительно Плутона ~13 км/с. Всего запаса топлива на зонде хватит на изменение скорости на ~500 м/с. А если бы мы проектировали корабль, произвольно меняя соотношение деталей, то торможение на химических двигателях станции массой 478 кг доставило бы на орбиту Плутона примерно 6 килограмм, включая двигатели, которыми бы производилось торможение, и баки, где бы хранилось топливо.
В то же время, теоретически миссия с выходом на орбиту Плутона возможна. Но она потребует:

  1. Десятилетий на гравитационные маневры или просто более медленное движение (чтобы гасить меньшую относительную скорость у Плутона)

  2. Использования ядерных двигателей или связки ядерного реактора и ионных двигателей.

  3. Использования более тяжелой ракеты-носителя для вывода гораздо большей начальной массы на орбиту Земли.


На этом фоне идея разогнать до большой скорости сравнительно небольшой аппарат, долететь до Плутона всего за десять лет и собрать информацию с пролетной траектории выглядит быстрой, дешевой и эффективной.

А где сейчас Плутон?
Если после полуночи посмотреть на небо и провести мысленно линию через Денеб и Альтаир, то Плутон будет низко над горизонтом в созвездии Стрельца. Его звездная величина 14, и в любительские телескопы увидеть Плутон не получится.

24.jpg

По тегу Orbiter другие публикации о виртуальных космических путешествиях.

При подготовке публикации использовались материалы журнала "Новости космонавтики". Теперь журнал можно приобрести не только в бумажном, но и в цифровом виде, в приложении "VipishiSmart: цифровая пресса", доступном для iOS и Android.

Интересно? Подписывайтесь на обновления.

Записи из этого журнала по тегу «orbiter»


промо lozga ноябрь 4, 2014 17:00
Разместить за 20 жетонов
Привет! Добро пожаловать в блог, посвященный популяризации космонавтики, астрономии, и, шире, науки и прогресса человечества. Если вы зашли ко мне впервые, рекомендую почитать длинные серии постов по тегам: Серия "Незаметные сложности космической техники". Рассказы о том, как и почему ракеты и…

  • 1
Редко вижу такие подробные обзоры.

Спасибо, интересно! Наверняка узнаем что-то такое, чего и представить сейчас не можем


Ну, совсем чудес я бы не стал ждать :)

  • 1
?

Log in