Пролетаем Плутон с «Новыми Горизонтами»

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

«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.







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

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.



Большое красное пятно глазами Ralph



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:







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:

• Сам Orbiter.
• Аддон «Pluto and Moons»
• Аддон «New Horizons»
• Аддон «New Horizons Pluto Encounter»

Порядок установки:

1. Распаковываем в папку симулятора «Pluto and Moons».
2. В папке \Config симулятора добавляем в файл Sol.cfg строки
   

   <code class="markdown">Planet## = Pluto Pluto:Moon1 = Charon Pluto:Moon2 = Nix Pluto:Moon3 = Hydra </code>

   заменив решетки на номер планеты. В моем случае последний номер был 8, меняем ## на 9:
   
   
   
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


Привет, Плутон!


Клавиши управления:

• F1 — переключение вида от первого/третьего лица.
• T — ускорить время в 10 раз, R — замедлить.
• Клавиши управления ориентацией:
  
  
  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:


14 июля:


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


11:32 UTC. Снимут ли «Новые Горизонты» такое фото?


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


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


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


~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.

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.



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.

Источник: geektimes.ru/post/253316/