Parker Solar Probe ещё до запуска внёс новации в проектирование космических миссий

3 октября 2018 года космический зонд Parker Solar Probe в рамках своей семилетней миссии выполнил первый важный манёвр. По мере того, как траектория космического корабля и орбита Венеры сходились в одной точке, зонд успел проскользнуть перед планетой, позволяя гравитации Венеры — относительно небольшой, по небесным стандартам — поменять его путь и изменить скорость. Эта операция, называемая гравитационным манёвром, уменьшила скорость Parker Solar Probe по отношению к Солнцу на 10 процентов, что составляет 11265 километров в час, из-за чего ближайшая точка его орбиты, называемая перигелием, стала ближе к Солнцу на 6.4 миллиона километров.

В течение семи лет перелёта аппарат выполнит ещё шесть коррекций орбиты с помощью гравитационных манёвров, но, в конечном итоге они приведут Parker Solar Probe на рекордное расстояние в 6.16 миллиона километров от поверхности Солнца. Это примерно в семь раз ближе от нынешнего рекордсмена “Гелиос-2”, который прошёл на расстоянии 43.45 миллиона километров от Солнца. Было это в 1976 году. Еще до достижения минимальной точки орбиты хорошо известно, что Parker Solar Probe побьёт этот рекорд и станет самым близким объектом, отправленным человеком к Солнцу, в конце октября 2018 года.

Давняя мечта

Создание солнечного зонда захватило сознание учёных и инженеров с конца 1950-х годов, и на протяжении ещё десятилетия они вынашивали планы по его созданию. А толчком к этому послужило создание новой теории, подтверждённой измерениями новых спутников, о том, что из Солнца происходит постоянный отток материала, который назвали солнечным ветром. Но, если бы вы спросили кого-нибудь до 2007 года, то есть до того, как началось серьёзное планирование такой миссии, о том, подходит ли Венера для рассчёта траектории, все бы с уверенностью ответили отрицательно. В течение трёх с лишним десятилетий, когда различные комитеты и научные группы работали над различными концепциями для миссии солнечного зонда, было общепризнано, что единственный способ погружения в солнечную атмосферу требует отправки космического аппарата в первую очередь на Юпитер.

«Никто не верил, что используя гравитацию Венеры можно долететь до Солнца, поскольку гравитационный манёвр, который позволяет совершить планетное тело, пропорционален массе этого тела, а масса Венеры мос авляет всего лишь 0,3 процента от массы Юпитера. Вы сравниваете гравитационную поддержку от Венеры с той, которую может оказать Юпитер, и понимаете, необходимо совершать повторные пролёты, чтобы достичь тех же изменений скорости. Но тогда вы получаете очень длительную по продолжительности миссию», — Яньпин Го, главный проектант миссии Parker Solar Probe в Университете прикладной физики имени Джона Хопкинса.

Приблизиться к Солнцу на самом деле, сложнее, чем можно себе представить. Любой космический аппарат, запущенный с Земли, начинает своё движение со скоростью 108000 километров в час в сторону от Солнца. Именно с такой скоростью движется Земля по орбите вокруг нашей звезды. И именно этой скорости должен противодействовать аппарат, прежде чем он сможет приблизиться к Солнцу. Гравитационный манёвр — один из самых важных инструментов в наборе проектанта траектории перелёта. Вместо того, чтобы использовать дорогое и такое драгоценное топливо для изменения направления или скорости (или и того, и другого), гравитационный манёвр позволяет использовать естественную гравитацию планеты.

Аппараты по изучению глубокого космоса используют гравитационный манёвр вокруг планет, чтобы набрать скорость, как миссия OSIRIS-REx, которая использовала силу земного притяжения, чтобы ускориться в направлении к астероиду Бенну, или менять направление, как “Вояджер-2”, который совершил гравитационный манёвр после сближения с Нептуном, чтобы приблизиться к его спутнику Тритону.

Идея использования гравитационного манёвра для Parker Solar Probe была немного иной. В первоначальных планах основные функции гравитационного ассистента должен был выполнять Юпитер. Этот газовый гигант должен был замедлить скорость космического аппарата почти до нуля и направить его наружу из плоскости эклиптики (плоскости, в которой вращаются все планеты вокруг Солнца). Этот манёвр отправил бы зонд по пути, на котором он мог получить редкий и самый удачный взгляд на полярные области Солнца. Эти области трудно наблюдать, но они важны с научной точки зрения, поскольку создают одни из самых быстрых солнечных ветров. Почти все наши обсерватории по изучению Солнца находятся на орбите в плоскости эклиптики, за исключением аппарата “Улисс”, который использовал гравитацию Юпитера для достижения полярных областей на расстоянии более 400 миллионов километров от Солнца.

Но послать космический корабль к Юпитеру и вернуть его во внутреннюю Солнечную систему трудно. Во-первых, независимо от того, как вы планируете путешествие, это долгая миссия, с промежутком почти в полдесятилетия между значимыми событиями. Большую часть времени нужно было бы проводить в глубоком космосе.

Parker Solar Probe летит мимо Венеры. Источник: NASA/JHUAPL

Во-вторых, путешествие так далеко от Солнца означает, что вам нужно откуда-то брать энергию. Вблизи Юпитера солнечный свет примерно в 25 раз тусклые того значения, которое мы имеем на Земле, поэтому единственным вариантом исполнения миссии является конструкция с огромными солнечными панелями, чтобы максимально использовать разреженный солнечный свет. Можно использовать и какой-либо другой источник энергии, например, ядерный. Большие панели солнечных батарей представляют проблему для Parker Solar Probe хотя бы потому, что им нужно быть защищенными во время встреч с Солнцем, чтобы избежать перегрева. Размер солнечной панели, необходимой для питания космического корабля вблизи Юпитера, слишком велик, чтобы эффективно складываться рядом с Солнцем, поэтому их нужно выбросить в перигелии, да и это ограничивает вас только одним сближение с Солнцем, потому что вы наверняка потеряете свой источник энергии. С ядерной энергией — радиоизотопным термоэлектрическим генератором или RTG, тем же источником, который питает космические миссии глубокого космоса , такие как “Кассини” и “Новые Горизонты”, выполнение гравитационного манёвра у Юпитера является жизнеспособным вариантом.

Изменение парадигмы миссии

Дэвид Маккомас, председатель комитета по определению, помнит звонок от Энди Данцлера, тогдашнего руководителя проекта миссии Солнечного зонда в APL. Данцлер скончался в 2011 году в возрасте 49 лет; ему была посвящена тяжелая ракета Delta IV, которая несла Солнечный зонд Паркера в космос.

«Я помню, как мы пытались понять, есть ли какой-либо способ, с помощью которого можно было оставить аппарат в плоскости эклиптики и получить возможность многократных проходов у Солнца с медленно уменьшающимся перигелием», — сказал Дэвид Маккомас, главный исследователь комплекса ISʘIS, профессор астрофизических наук в Принстонском университете в Нью-Джерси.

Это была совершенно новая парадигма для миссии. Отличительной чертой первоначального плана было прохождение над полюсами Солнца — источников быстрого солнечного ветра, как уже говорилось выше, эта область является тайной для ученых. Кроме того, пребывание в плоскости эклиптики почти наверняка означало бы то что аппарат окажется дальше от Солнца, чем хотелось бы.

«Если мы будем размениваться расстоянием перигелия, то должны купить за это то, что даст нам возможность провести дополнительные научные исследования каким-то другим способом».

Затем, были опубликованы два исследования, которые поддержали выбор этих изменений и мы получили траекторию для Parker Solar Probe, по которой зонд движется сейчас.

Первым было исследование, опубликованное в 2009 году Томасом Зурбухеном, в то время учёный из Мичиганского университета, а сейчас помощник администратора Дирекции научных миссий в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне. Это исследование показало, что солнечный ветер, который можно измерить в плоскости эклиптики, на самом деле исходит из различных источников. Это был не только медленный солнечный ветер, о котором известно как о наиболее распространённом вблизи экватора Солнца, но и высокоскоростной ветер, который часто возникает ближе к полюсам Солнца. Путём исследования этого солнечного ветра из плоскости эклиптики, в течение нескольких лет учёные могли узнать об этом быстром солнечном ветре такое, чего никогда не ожидали.

В рамках второго исследования была оценена возможность вообще построить такую траекторию аппарата, чтобы эти исследования стали возможны.

«Когда я только начинал, я понятия не имел, смогу ли найти это решение», — сказал го, разработчик траектории полета. «Все думали, что Юпитер — это единственный практический способ приблизиться к Солнцу в пределах 10 солнечных радиусом”, — говорит Яньпин Го.

В 2007 году она разработала пять альтернативных вариантов траектории, которые удерживали бы космический аппарат вблизи плоскости эклиптики и не требовали бы путешествия к Юпитеру. В этих вариантах используется некоторое сочетание гравитации Земли и Венеры, которое помогает постепенно приближать космический аппарат к Солнцу в течение нескольких лет. В итоге исследователям удалось уложиться во все требования, а именно: общая продолжительность полета до 10 лет;окончательное сближение должно произойти на расстоянии менее 10 солнечных радиусов (что эквивалентно 6.9 миллиона километров). Эта модель была выбрана в качестве траектории текущей миссии, называемой теперь Parker Solar Probe, в честь доктора Юджина Паркера. Всего аппарат совершит семь гравитационных манёвров у Венеры, которые будут приближать его орбиту всё ближе и ближе к Солнцу в течение семилетнего срока существования миссии.

Самое большое препятствие на пути с такими повторяющимися сближениями — фазирование.Все мы понимаем, что Венера находится в постоянном движении вокруг Солнца, поэтому каждый раз, когда космический корабль проходит планету и движется вокруг нашей звезды, Венера находится в совершенно другом месте. Но разработанный Го дизайн траектории решает эту проблему. Разработанная конструкция траектории включает в себя 24 орбиты вокруг Солнца. Семь гравитационных манёвров у Венеры происходят в разных точках орбиты космического аппарата, чтобы решить проблему фазирования. Некоторые, как и 3 октября 2018 года, произойдут во время полёта зонда к Солнцу, в то время как другие будут осуществляться в направлении от нашей звезды.

Эта орбита явно отличается от первоначальной концепции гравитационного манёвра у Юпитера. А вместо двух проходов над полюсами Солнца на расстоянии в 1.98 миллиона километров миссия обеспечит 24 сближения вокруг Солнца вблизи экватора на расстоянии в 6.16 миллиона километров от поверхности Солнца.

И, хотя зонд Parker Solar Probe не приближается так близко к Солнцу, как изначально предполагалось, эта версия траектории обеспечивает космическому аппарату более 900 часов нахождения в критической внутренней области короны Солнца в пределах 20 солнечных радиусов. Для сравнения, более ранние проекты с использованием гравитационных манёвров у Юпитера обеспечивали менее 100 часов существования в этом регионе.

«Это техническое решение было более безопасным, дешёвым и лучшим с научной точки зрения. Солнце является очень нестабильным объектом, оно изменчиво, так что это позволит нам провести максимально полную научную работу”.

Сравнение концепций миссий с манёвром у Юпитера и у Венеры. Источник: NASA’s Goddard Space Flight Center/Mary Pat Hrybyk-Keith

Это изменение в концепции миссии также решило проблему электроэнергии. Вместо того, чтобы использовать радиоизотопный генератор или огромные солнечные панели, Parker Solar Probe питается от пары сочленённых солнечных панелей, которые будут медленно уходить в тень теплового экрана по мере приближения космического аппарата к Солнцу. При максимальном приближении только небольшая область останется открытой для генерации необходимой мощности для космического корабля. А охлаждаться они будут с помощью первой в своем роде системы охлаждения для солнечных батарей.

И, хотя, это решило все серьёзные проблемы, такое переосмысление миссии также потребовало полного переосмысления самого космического аппарата.

«Вся конструкция космического корабля резко изменилась. В модели с первой траекторией тепловой защитой был сам космический аппарат. Он был похож на конус с заостренным концом, обращенным к Солнцу, потому что, когда мы движемся по такой быстрой полярной орбите, трудно правильно ориентировать экран. Мы не собираемся с новой траектории подходить так же близко к Солнцу, поэтому мы можем пойти на упрощение формы тепловой защиты, потому что в данном случае можно постоянно держать экран сориентированным в направление на Солнце”, — Никола Фокс, начальник отдела гелиофизики в штаб-квартире НАСА.

Команда Миссии благодарит Энди Данцлера за руководство ими через это фундаментальное изменение в дизайне миссии, которое привело к миссии, которую мы знаем сегодня.

Первый гравитационный манёвр

3 октября 2018 года Parker Solar Probe прошёл на расстоянии примерно 2414 километров от поверхности Венеры. Вообще, эта планета является интересным местом для гелиофизиков, которые изучают не только Солнце, но и его влияние на планеты. В отличие от Земли, Венера не имеет внутреннего магнитного поля. Вместо этого слабое магнитное поле индуцируется над поверхностью постоянным шквалом солнечных заряженных частиц, протекающих над планетой и взаимодействующих с ее очень плотной атмосферой.

Этот первый пролёт предоставил уникальную возможность для калибровки приборов. Три из четырёх — SWEAP, ISʘIS и FIELDS — в это время собирали данные.

Эти данные всё ещё передаются на Землю, а научная группа надеется проанализировать их, прежде чем они нацелятся на следующую большую встречу Parker Solar Probe: его первый близкий подход к Солнцу. Первая встреча произойдет в промежутке между 31 октября и 11 ноября 2018 года, а на минимальное расстояние аппарат подойдёт 5 ноября. Научные данные этого события будут передаваться на Землю в начале декабря этого года.

По информации НАСА.

0

Автор публикации

не в сети 7 месяцев

Максим Коваленко

1
Комментарии: 0Публикации: 192Регистрация: 22-03-2018

Читайте также:

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Авторизация
*
*
Войти с помощью: 
Генерация пароля