Космический зонд "Кассини-Гюйгенс" был запущен в космос NASA 15 октября 1997 с военно-воздушной базы на мысе Канаверал, штат Флорида.
Учитывая огромные расстояния между Землей и Сатурн, было бы неразумно отправить космический аппарат только для нескольких исследований. Таким образом, орбитальный аппарат "Кассини" и зонд "Гюйгенс" были оснащены множеством сложнейших приборов и фотокамер, которые способны получать изображения в различных диапазонах видимости: видимого и инфракрасного.
Для разгона аппарат провел несколько гравитационных маневров. "Кассини" два раза пролетел рядом с Венерой - в 1998 и 1999, затем, в августе 1999 со скоростью 69 тыс. км/час прошёл около Земли, зимой 2000 пролетел мимо Юпитера, передав на Землю его фотографии.
После семи лет полета, "Кассини" вышел на орбиту Сатурна в июле 2004 года. Тогда началась четырехлетняя программа изучения Сатурна, которая включает более 70 оборотов вокруг планеты и ее спутников. В течение этих семи лет работала только электроника "Кассини"; электроника Гюйгенса же все эта время "спала" и была включена только тогда, когда аппарат достиг цели.
Используя различные инструменты, "Кассини" собирает подробные данные о системе Сатурна, его кольцах и спутниках, вращающихся вокруг этого газового гиганта. Полученные данные помогут ученым понять процессы, происходящие в этом необычной районе нашей Солнечной системы. Было поставлено несколько научных задач: измерение огромной магнитосферы Сатурна, изучение колец Сатурна, анализ состава атмосферы газового гиганта.
Как только записывающее устройство на борту аппарата полностью заполняется данными, происходит передача данных на землю, которые принимаются при помощи одно и нескольких 70 метровых антенн "Дальней космической связи" ("Deep Space Network"). Каждый день Кассини передает несколько гигабайт информации, которая затем обрабатывается 250 учеными из разных стран.
При помощи специальной аппаратуры Кассини может снимать поверхность Титана, самого большого спутника Сатурна. Предыдущие миссии не смогли выполнить эту задачу из-за плотной атмосферы Титана, которая не позволила обычным фотокамерам заснять его поверхность.
В декабре 2004 года от "Кассини" отстыковался космических спускаемый аппарат Гюйгенс. После 20 дневного приближения зонд вошел в атмосферу Титана. При этом раскрылось 3 парашюта, которые позволили ученым получить данные об атмосфере, ветрах, температуре, составе и поверхности спутника.
Через два часа двадцать семь минут после входа в атмосферу Титана зонд совершил посадку неподалеку от экватора спутника. Гюйгенс пережил приземление на замороженную поверхность Титана и передавал данные еще несколько минут после посадки.
Космический модуль "Кассини" до сих пор вращается вокруг Сатурна и передает на Землю различные данные о газовом гиганте, его кольцах и спутниках.
Основными целями миссии являются:
- Определение структуры и поведения колец;
- Определение геологической структуры и истории поверхности спутников;
- Определение природы и происхождения тёмного материала на одном из полушарий Япета;
- Исследование структуры и поведения магнитосферы;
- Исследование поведения атмосферы Сатурна и структуры облачного покрова;
- Исследование облаков и тумана в атмосфере Титана;
- Определение характера поверхности Титана.
Космический зонд является результатом сотрудничества трёх организаций; в процессе создания аппарата принимали участие 17 государств. СтанцияКассини была построена усилиями НАСА. Зонд Гюйгенс был созданЕвропейским космическим агентством. Итальянское космическое агентство сконструировало антенну дальней связи и радарный высотометр (RADAR).
Общие затраты на миссию превышают 3.26 млрд долларов США, что включает в себя 1,4 млрд на предстартовую подготовку, 704 млн на обслуживание, 54 млн на поддержку связи с аппаратом и 422 млн на маршевый двигатель. Правительство США выделило 2,6 млрд долларов, Европейское космическое агентство 500 млн и Итальянское космическое агентство 160 млн.
Первоначально миссия была запланирована до 2008, однако впоследствии продлена до лета 2010. 3 февраля 2010 года было объявлено о дальнейшем продлении программы до 2017 года. Продленная миссия включает в себя 155 дополнительных витков вокруг Сатурна, 54 сближения с Титаном и 11 — с Энцеладом.
Конструкция
Кассини
"Кассини" одна из самых больших и тяжелых межпланетных станций в истории космонавтики. Только советские аппараты "Фобос", посланные для изучения Марса, были больше.
Самое важное это то, что аппарат состоит из двух частей: орбитальной станции "Кассини" и спускаемого модуля "Гюйгенс".
Вес "Кассини" при старте составил 5,650 кг (6 тон), включая 320-килограммовый "Гюйгенс", 336 кг научных приборов и 3130 кг топлива.
На аппарате установлены два основных реактивных двигателя мощностью по 445 ньютонов (двигатель продублирован на случай поломки). "Кассини" также оборудован 16-ю двигателями малой тяги, используемыми для стабилизации аппарата, а также при малых орбитальных маневрах. Размеры станции составляют 6,7 м в высоту и 4 м в ширину.
Из-за большого расстояния Сатурна от Солнца невозможно использовать солнечный свет как источник энергии для аппарата. Поэтому «Кассини» получает энергию от радиоизотопного термоэлектрического генератора (РИТЭГ), который использует для получения электричества плутоний (в данном случае — оксид плутония). Такие генераторы уже применялись для энергообеспечения других аппаратов, в частности «Галилео» и «Улисс», и рассчитаны на очень долгий срок работы. В конце 11-го года использования установленный на «Кассини» РИТЭГ будет способен вырабатывать 628 ватт. Аппарат использует 32.8 килограммов плутония.
Орбитальный модуль "Кассини" несёт 12 научных приборов:
1. Плазменный спектрометр (CAPS), предназначен для исследования плазмы (высоко ионизированных газов), как рядом, так и внутри магнитного поля Сатурна.
2. Анализатор космической пыли (CDA), предназначен для исследования пыли и ледяных частиц в системе Сатурна.
3. Инфракрасный спектрометр (INMS), предназначен для изучения инфракрасных излучений от поверхности, атмосферы и колец Сатурна, а также для изучения его спутников - их состава и температур.
4. Система научного наблюдения (ISS), позволяет получать изображения в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах.
5. Магнитометр (MAG), позволяет измерять магнитное поле Сатурна, его взаимодействие с солнечным ветром, его кольцами и спутниками.
6. Радар (RADAR), позволяет "пробить" атмосферу Титана и получить снимки его поверхности.
7. Измеритель радио и плазменных волн (RPWS).
8. Система научных радиоизмерений (RSS), занимается поиском гравитационных волн во Вселенной, изучает атмосферу, кольца и гравитационное поле Сатурна и его спутников, при помощи измерения изменения радиоволн, испускаемых от аппарата.
9. Ультрафиолетовый спектрограф (UVIS), измеряет ультрафиолетовые излучения от атмосферы и колец Сатурна для изучения его структуры и химического состава.
10. Спектрометр видимого и инфракрасного излучения (VIMS), позволяет изучать поверхность и атмосферу Сатурна и его спутников, измеряя цвета видимого и инфракрасного света, отраженного от поверхности.
11. Масс-спектрометр для ионов и незаряженных частиц (INMS).
12. Magnetospheric Imaging Instrument (MIMI) images Saturn's magnetosphere and measures interactions between the magnetosphere and the solar wind, a flow of ionised gases streaming out from the Sun.
Гюйгенс
"Гюйгенс" состоит из двух частей: защитный модуль и спускаемый модуль. Защитный модуль содержит оборудование по контролю за аппаратом после отделения от "Кассини", а также мощный защитный слой, препятствующий гибели аппарата в результате разогрева при входе в атмосферу.
Спускаемый модель "Гюйгенс" нес на себе 6 научных приборов:
1. Huygens Atmospheric Structure Instrument (HASI) - измерение физических и электрических свойств атмосферы Титана.
2. Doppler Wind Experiment (DWE) - изучение направления и силы ветров Титана.
3. Descent Imager/Spectral Radiometer (DISR) - отображение спуска и исследования уровня освещённости.
4. Gas Chromatograph Mass Spectrometer (GC/MS) - идентификация и измерение химического состава атмосферы Титана.
5. Aerosol Collector and Pyrolyser (ACP) - анализ атмосферных аэрозольных частиц.
6. Surface-Science Package (SSP) - определение свойств поверхности.
В "схеме пробуждения" "Гюйгенса" важную роль играли стеклянные конденсаторы компании AVX.
Стеклянные конденсаторы принимали участие в том, когда зонд 24 декабря 2004 года отделился от космического корабля Кассини. При снижении Гюйгенса на поверхность Титана стеклянный конденсатор типа CYR10 вывел из семилетнего "сна" центральный компьютер Гюйгенса, чтобы затем анализировать атмосферу Титана и сделать снимки его поверхности.
Сверхстабильные стеклянные конденсаторы компании AVX используются также в коммуникационных и управляющих системах космического корабля Кассини. С первых дней конденсаторы выполняют важнейшие функции в космических программах, в таких как Space Shuttles, Voyager, Magellan, Galileo, Mars Exploration Rover и Cassini-Huygens, а также в многочисленных программах искусственных спутников.
"Кассини" стабилизирован в трех плоскостях за счет работы двигателей, а также специальных дисковых устройств (точно направленная стабилизация аппарата достигается за счет поворота дисков, осуществляемых электромоторами) и гироскопов. Навигация осуществляется по звездам, в компьютер заложены координаты 5000 звезд.
Аппарат оборудован одной основной и двумя маломощными антеннами. Основная антенна используется для связи с Землей на частоте 8,4 Ггц, для приема данных от "Гюйгенса", а также как радар. Антенна также используется при проведении экспериментов по прохождению радиосигнала (в разных диапазонах) через атмосферы Сатурна и Титана и кольца Сатурна, что позволяет определить давление в атмосферах, размер частиц колец и др. параметры. До отлета "Кассини" на значительное расстояние от Солнца 4-метровая тарелка основной антенны использовалась для защиты аппарата от солнечного излучения. Поскольку при этом антенна не была направлена на Землю, для связи использовались две маломощные антенны (в принципе для связи с Землей достаточно одной маломощной антенны).
Аппарат содержит внушительную компьютерную начинку. Фактически каждый научный инструмент снабжен собственным микрокомпьютером, а все инженерные системы - двумя (с целью повышения надежности). Основной компьютер производства фирмы IBM имеет память в два "мегаслова" (megaword). Компьютер спроектирован для применения в авиации и ранее доказал свою высокую надежность в экстремальных условиях эксплуатации. Компьютерная система имеет многоступенчатую систему защиты от ошибок и сбоев. Хранение научной и служебной информации осуществляется специальным устройством, не имеющим движущихся частей (на предшествующих аппаратах использовалась магнитная лента).
Полет к Сатурну
В октябре 1997г. "Кассини" был запущен на земную орбиту при помощи ракеты "Титан 4". Затем разгонный блок "Кентавр", установленный между аппаратом и ракетой, вывел аппарат на межпланетную траекторию.
Как уже отмечалось, для разгона аппарат провел несколько гравитационных маневров.
"Кассини" пролетел мимо Венеры в апреле 1998г. и июне 1999г. на расстоянии 287 и 600 км соответственно. В августе 1999г. станция проследовала мимо Земли на расстоянии 1200 км.
Мимо Юпитера "Кассини" пролетел в декабре 2000г. на расстоянии 9,7 млн. км. Аппарат совместно со станцией "Галилео" (находящейся в то время на орбите Юпитера) провел уникальные эксперименты по одновременному измерению взаимодействия магнитосферы планеты с солнечным ветром в разных местах.
Затем "Кассини" устремился к Сатурну, но прежде чем выйти на орбиту вокруг планеты, ему необходимо было пройти в промежуток между кольцами F и G. Уникальность этой операции заключалась в том, что она происходила без вмешательства человека (радиосигнал от Сатурна до Земли идет полтора часа), все делал компьютер. За те несколько минут, в течение которых "Кассини" проходил через щель, его приборы успели зафиксировать удары более 100 тысяч пылевых частиц, что оказалось больше ожидаемого. Зонд передал ряд снимков, показывающих знаменитые кольца так близко, как никогда. На снимках нельзя увидеть отдельные частицы, составляющие кольца - они всё же слишком малы. Возможно, лишь самые крупные валуны размером с большой дом на самых крупномасштабных кадрах - едва-едва просматриваются. Но, в основном, кольца - это мелкие камни (порядка метра), а самые мелкие - это буквально песчинки.
Получены высококачественные изображения динамически изменяющихся участков на кольцах, где отдельные глыбы и камни собираются в более плотные образования и затем "рассасываются". Они, правда, были известны и раньше, но теперь можно увидеть гораздо больше деталей. Эти волны образованы колебаниями в скорости частиц.
Пройдя между кольцами, аппарат совершил последнюю коррекцию траектории и вышел на орбиту вокруг планеты-гиганта.
Первые же фотографии колец, переданные зондом, позволили говорить о новых открытиях. Кольца Сатурна имеют разную структуру. Одни похожи на монолитные белые диски, другие имеют волнообразный рисунок. "Кассини" обнаружил, что во внутренних кольцах преобладают мелкие песчинки, а во внешних - крупные глыбы. По химическому составу кольца также разительно различаются между собой: внутренние состоят из силикатов и органических веществ, внешние же - из ледяных глыб. Материал некоторых колец напоминает вещества, найденные "Кассини" на Фебе. Астрономы полагают, что это довод в пользу гипотезы, объясняющей образование колец разрушением сатурнианских лун.
В ноябре 2006 г. аппаратом "Кассини" был обнаружен необычный шторм на полюсе Сатурна. На снимках "ураган" выглядит как тёмная область, окружённая тонким светлым слоем облаков. Шторм имеет диаметр порядка 8 тысяч километров - около двух третей диаметра Земли. Ученые утверждают, что это образование похоже на ураган, но оно не ведёт себя подобающим урагану образом.
Скорость вращения газов, происходящего в этой области по часовой стрелке, составляет около 550 километров в час. Обнаружилось, что вихрь имеет два рукава, а его края образованы вертикальными облачными "стенами". Вокруг шторма находится кольцо из облаков на высоте от 30 до 75 километров; они в 2-5 раз выше земных штормовых облаков.
На Земле такие образования появляются в результате движения влажной атмосферы над океаном. Эти потоки поднимаются, высвобождая влагу в виде мощных дождей. В центре этого процесса движение воздуха нисходящее - оно и формирует тот самый "глаз". Какой механизм отвечает за образование такого "глаза" на Сатурне пока не ясно. К тому же Земля и Сатурн планеты разного класса, сравнивать их заранее не корректно.
Благодаря снимкам "Кассини" удалось узнать, что глубина глаза вдвое больше высоты верхнего облачного слоя Сатурна, а на дне его находятся некие тёмные облака, про которые пока никто ничего сказать не может.
Теперь астрономы собираются внимательно следить за находкой. Они надеются, что ближайшие несколько лет наблюдений расскажут многое об этом явлении.
*
Специалисты Лаборатории реактивного движения НАСА тестируют «Кассини»
Путь Кассини
Старт Кассини-Гюйгенс
Фотографиия с поверхности Титана
Художественное изображение "Кассини" вблизи Сатурна
Миссия "Кассини - Гюйгенс" названа в честь итальянского и французского астронома и инженера - Джованни Доменико Кассини (итал. Giovanni Domenico Cassini,фр. Jean-Dominique Cassini; 8 июня 1625 — 14 сентября 1712).
Родился в Перинальдо, образование получил в иезуитском коллегиуме в Генуе и в аббатстве Сан-Фруктуозо. В 1644—1650 работал в обсерватории маркиза Мальвазиа в Панцано близ Болоньи, где продолжил астрономическое образование под руководством Дж. Б. Риччоли и Ф. М. Гримальди. В 1650—1669 — профессор астрономии в Болонском университете. В (1669) он переселился во Францию, где в 1671 году стал директором только что созданной (1667) по указу Людовика XIV Парижской обсерватории и оставался на посту директора до конца жизни. Обсерватория имела в своём распоряжении мощный для того времени 150-кратный телескоп.
В историю астрономии вошёл как талантливый наблюдатель. В Италии выполнил многочисленные позиционные наблюдения Солнца с меридианным инструментом и на основании этих наблюдений составил новые солнечные таблицы, опубликованные в 1662. Создал первую точную теорию атмосферной рефракции, основанную на законе синуса. В Болонье, в 1665 году Кассини впервые наблюдал Большое красное пятно Юпитера. В Париже он открыл четыре спутника Сатурна (Япет,Рея, Тефия, Диона), которые в честь короля назвал «звёздами Людовика» (Sidera Lodoicea). В 1675 году обнаружил щель в кольцах Сатурна («щель Кассини»). Доказал осевое вращение Юпитера и Сатурна, отметив при этом неравномерное вращение атмосферы Юпитера на разных широтах.
В 1671 наблюдал белое парящее облако над Луной. На протяжении 1671—1679 наблюдал детали лунной поверхности и в 1679 составил большую карту Луны.
В 1672 одновременно с Жаном Рише в Французской Гвиане Кассини в Париже проводил наблюдения Марса. По параллаксу Марса удалось впервые вычислить расстояние до этой планеты. Исходя из этих измерений, Кассини сумел с хорошей точностью определить расстояние от Земли до Солнца: 146 млн км (по современным данным — 149,6 млн км).
В 1683 году Кассини дал первое научное описание явления зодиакального света, предложив гипотезу, объясняющую его рассеянием солнечного света на линзообразном скоплении частиц пыли, лежащего в плоскости эклиптики; эта гипотеза является в настоящее время общепринятой.
Руководил экспедиционными работами по измерению дуги меридиана на территории Франции. На основании этих измерений пришел к неправильному заключению, что длина одного градуса меридиана уменьшается к северу, то есть Земля должна быть вытянутым у полюсов сфероидом. (Лишь последующие экспедиции П. Бугера, Л. Годена и Ш. М. ла Кондамина в Перу в 1735—1743 и П. Л. М. Мопертюи в Лапландию в 1736—1737 разрешили окончательно вопрос о фигуре Земли.)
Кассини заметил (1672), что предсказанные им моменты затмений спутника Юпитера Ио постоянно отклонялись от наблюдаемых в пределах 22 минут. Причину этого открыл коллега Кассини по Парижской обсерватории Олаф Рёмер: наибольшие отклонения происходили тогда, когда Земля и Юпитер находились по разные стороны Солнца, поэтому Рёмер предположил, что скорость света конечна, и диаметр земной орбиты свет проходит за 22 минуты, откуда он получил первую оценку скорости света: около 220 000 км/сек (по современным данным: ≈ 299 792 км/сек.). Кассини, однако, не поддержал гипотезу Рёмера, и она была окончательно признана только спустя полвека, с открытием аберрации.
Очень часто придерживался устарелых физических концепций — был противником теории всемирного тяготения, его коперниканство было ограниченным, он предлагал заменить эллипсы Кеплера кривыми четвёртого порядка (овалами Кассини), считал, что Рёмер неправильно объясняет наблюдаемую неравномерность движения спутников Юпитера конечностью скорости света. Ошибочными были и его взгляды на природу комет.
