"Новые горизонты"

 

"Новые горизонты" (англ. New Horizons) — автоматическая межпланетная станция НАСА, запущенная в рамках программы «Новые рубежи» (New Frontiers) и предназначенная для изучения Плутона и его естественного спутника Харона. Для полета к Плутону также некоторое время рассматривалась миссия "Pluto Kuiper Express" старт, которой намечался на январь 2010 года, но она была "отбракована". 14 июля 2015 года , зонд "Новые горизонты" агентства НАСА совершил пролет мимо Плутона, засняв карликовую планету крупным планом. Максимальное сближение было достигнуто в 11:49 по Гринвичу, когда космический корабль пролетел в 12 500 километрах от холодной поверхности Плутона.

Плутон. Фотоснимок, сделанный при приближении аппарата к Плутону

25 февраля 2003 года руководством NASA было принято решение о начале финансирования первой экспедиции к Плутону. Поддержку получил проект "Новые горизонты" (New Horizons), одна из малобюджетных альтернатив прекращенного проекта "Койпер". Разработкой проекта "Новые горизонты" занималась группа под руководством Алана Стерна. 

Старт миссии состоялся только с третьей попытки на 19 января 2006 года (20:00 по среднеевропейскому времени). В космическое пространство аппарат вывела ракета носитель "Атлас-5". Старт космического аппарата уже дважды - 17 и 18 января - переносился на сутки. В первый раз это было связано с сильным ветром на космодроме, а второй - с аварийным отключением электроэнергии в ведущей лаборатории проекта. 

Старт тяжелой ракеты с космическим аппаратом Новые Горизонты

Через 9 часов после старта он пересек орбиту Луны и отправился на периферию Солнечной системы. Кстати, на борту аппарата находится капсула с прахом открывателя Плутона Клайда Томбо (Clyde Tombaugh). Он открыл Плутон в 1930 году, когда был еще совсем молодым человеком, а умер он в 1997 г. в возрасте 90 лет. Во время запуска зонда New Horizons на космодроме присутствовала его жена Патрисия Томбо.

Обязательные задачи:

    - изучить геологию и морфологию Плутона и его спутника Харона;
    - картировать состав вещества их поверхностей;
    - исследовать нейтральную атмосферу Плутона, определить скорость ее потери;
    - установить переменность во времени поверхности и атмосферы Плутона;
    - произвести стерео-съемку Плутона и Харона;
    - произвести картирование с высоким разрешением районов, прилегающих к терминатору на Плутоне и на Хароне,
    - получить карты состава выбранных областей с высоким разрешением;
    - провести поиск в верхних слоях атмосферы нейтральных молекул H, H2, HCN, CxHy и других углеводородных соединений;

Масса аппарата — 478 кг, включая около 80 кг топлива. Размеры — 2,2×2,7×3,2 метра.

Конструктивно аппарат представляет собой несимметричную шестиугольную призму из сотовых алюминиевых панелей, опирающуюся на несущий алюминиевый цилиндр. Снаружи конструкция «одета» в многослойное легкое теплозащитное покрытие желтого цвета. Большую часть времени аппарат согревается работой собственной аппаратуры, которая выделяет порядка 150 Вт, и внутри него поддерживается температура в пределах 10–30°С. Если автоматическая система мониторинга обнаружит, что выделяемая электроникой мощность ниже необходимой, будут автоматически включаться небольшие нагреватели. Во время полета во внутренней области Солнечной системы для сброса лишнего тепла у аппарата открывались специальные «жалюзи». Теплоизоляция состоит из 18 слоев (дакроновая сетка, алюминизированная майларовая пленка и каптон) и одновременно служит защитой от микрометеоритов. 

В состав двигательной установки КА входят топливный бак и 16 двигателей в восьми точках по периметру аппарата. Четыре двигателя для коррекций траектории, а остальные 12 тягой – для ориентации. Двигатели сгруппированы в два комплекта (основной и резервный), по восемь в каждом. Система электроснабжения аппарата состоит из радиоизотопного термоэлектрического генератора (РТГ) типа F-8, вынесенного вбок от корпуса КА, системы распределения питания. РТГ содержит примерно 11 кг двуокиси плутония-238. Он обеспечивал станцию мощностью до 240 Вт на начальных этапах полета, а к моменту прибытия к Плутону – около 200 Вт. Аккумуляторные батареи на станции отсутствуют, а излишек мощности, которая не нужна в данный момент, сбрасывается через шунты. 

Система связи диапазона X (8/7 ГГц) включает в себя две антенны низкого усиления LGA на противоположных сторонах КА для связи на малых расстояниях от Земли, антенну среднего усиления MGA диаметром 30 см (ширина луча 14°) и остронаправленную антенну HGA диаметром 2.1 м (ширина луча 0.3°), закрепленную на верхней плоскости КА. В систему связи также входит усовершенствованный цифровой приемоответчик для измерения дальности с малой потребляемой мощностью. Кроме того, в систему связи интегрирована аппаратура REX для радиопросвечивания атмосферы. Вся система является резервированной, за исключением остронаправленной антенны HGA. Передача данных из системы Плутона велась со скоростью от 600 до 1200 бит/с на 70-метровые антенны Сети дальней связи NASA, причем для передачи всей научной информации по Плутону и Харону потребовалось около 9 месяцев. 

Основой системы команд и обработки данных является бортовой компьютер с радиационно-стойким процессором Mongoose V с частотой 12 МГц. Для хранения данных используются два твердотельных запоминающих устройства (одно в резерве) емкостью по 64 Гбит. Бортовой компьютер, запоминающие устройства, преобразователи мощности, процессор управления и навигации, следящая электроника, а также различные интерфейсы, служащие для связи между процессорами и научными инструментами, входят в состав двух интегрированных модулей электроники IEM (основного и резервного). Определение текущей ориентации КА в пространстве осуществляется с помощью двух звездных датчиков, цифровых солнечных датчиков (в резерве), акселерометров и гироскопов, которые входят в состав основного и резервного инерциальных измерительных блоков IMU. 

В память звездных датчиков заложена звездная карта из 3000 звезд. Принцип работы заключается в следующем: 10 раз в секунду датчик делает широкоугольный снимок звездного неба, сравнивает его с картой в памяти и определяет ориентацию аппарата в пространстве. Блок IMU обновляет информацию о движении станции с частотой 100 раз в секунду. 

За разработку, изготовление КА и управление полетом отвечает Лаборатория прикладной физики (APL) Университета Джона Гопкинса (Мэриленд, США). На борту станции находятся семь научных приборов.

Пролет «Новых горизонтов» близ Плутона в представлении художника

Научная аппаратура КА "New Horizons"

Видовой УФ-спектрометр Alice предназначен для изучения структуры и состава атмосферы Плутона. Прибор состоит из компактного телескопа, спектрографа и чувствительного электронного детектора с 32 пространственными и 1024 спектральными каналами в диапазоне от 500 до 1800 А°. В режиме «свечения атмосферы» регистрируется УФ-излучение от частиц в ее составе. В режиме «затмения» Солнце наблюдается через атмосферу Плутона, что позволяет определить ее состав по спектру поглощения. Масса прибора составляет 4.5 кг. Спектрометр разработан в Юго-Западном исследовательском институте (SwRI). Научным руководителем по прибору, как и по проекту в целом, является Алан Стерн. Прибор Alice должен обнаружить в атмосфере Плутона ряд атомных и молекулярных соединений и определить их концентрацию. Он же займется поиском ионосферы у Плутона и атмосферы у его спутника Харона. Кроме этого, будут составлены вертикальные профили температуры и плотности в атмосфере Плутона.

Камера/спектрометр видимого и ИК-диапазона Ralph служит для изучения геологии и морфологии поверхности Плутона и Харона, а также для составления температурных карт и определения структурного состава поверхности. В состав инструмента входит телескоп, мультиспектральная камера видимого диапазона MVIC с семью ПЗС-матрицами и картирующий композиционный ИК-спектрометр, который получил название LEISA (Linear Etalon Imaging Spectral Array – Линейная эталонная видовая спектральная матрица). LEISA работает в диапазоне 1.25–2.50 мкм, MVIC – в диапазоне 0.4–0.95 мкм с тремя панхроматическими (черно-белыми) детекторами и четырьмя цветными. Масса прибора – 10.3 кг. Разработан он Юго-Западным исследовательским институтом, Центром космических полетов имени Годдарда (спектрометр LEISA) и фирмой Ball Aerospace Corp. Научный руководитель – Алан Стерн. Ralph производит съемку два раза в сутки при подлете и на отлете. При сближении с Плутоном камера MVIC получала черно-белые и цветные снимки поверхности с высоким разрешением (250 м), снимки ночной стороны Плутона в свете Харона, а также стереоизображения для изучения топографии.

Камера для дальней съемки LORRI (Long Range Reconnaissance Imager) рассчитана на детальную съемку с высоким разрешением и съемку с большого расстояния в видимом диапазоне. Она состоит из телескопа с апертурой 20.8 см и ПЗС-матрицы. Отличительной особенностью камеры является то, что она не содержит цветных фильтров, а также подвижных частей: аппарат будет поворачиваться к объекту съемки той стороной, на которой закреплена LORRI. Зеркала камеры изготовлены из карбида кремния (SiC), что позволит им сохранять свои фокусирующие свойства при экстремально низких температурах. Масса прибора – 8.8 кг. Разработчик – Лаборатория прикладной физики, научный руководитель – Энди Чен (Andy Cheng). Камера LORRI начала получать снимки системы Плутона первой, примерно за 200 суток до сближения с планетой. За 90 суток до пролета Плутона с расстояния около 100 млн км полученные изображения уже превосходили по разрешению снимки с «Хаббла». Непосредственно при пролете камера снимала отдельные участки освещенного полушария Плутона с разрешением до 50 м.

Анализатор солнечного ветра SWAP (Solar Wind at Pluto) предназначен для изучения взаимодействия солнечного ветра с атмосферой Плутона. По причине огромного расстояния от Плутона до Солнца разработчикам пришлось создать самый большой прибор для измерения солнечного ветра. SWAP состоит из анализатора с запаздывающим потенциалом RPA (Retarding Potential Analyzer) и электростатического анализатора ESA (Electrostatic Analyzer), которые позволят регистрировать быстрые изменения скорости солнечного ветра. Масса прибора – 3.3 кг. Разработчик – Юго-Западный исследовательский институт. Научный руководитель по прибору – Дэвид МакКомас (David McComas). Планетологи полагают, что вследствие очень слабой гравитации на Плутоне (считается, что она составляет 1/16 часть от земной) планета «теряет» в секунду до 75 кг вещества (молекулярный азот, углекислый газ, метан) из своей атмосферы. Этот процесс можно сравнить с образованием «хвоста» у кометы, несмотря на то что размер Плутона в сотни раз превосходит средний размер ядра кометного ядра. Газы «покидают» атмосферу в виде нейтральных атомов и молекул, которые затем ионизируются УФ-излучением Солнца. Приобретая электрический заряд, ионы и электроны «уносятся» солнечным ветром. Регистрируя возмущения в солнечном ветре от взаимодействия с материалом из атмосферы Плутона, SWAP позволит установить свойства этого вещества.

Роль спектрометра энергичных частиц PEPSSI (Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation) состоит в поиске нейтральных атомов в атмосфере Плутона, которые приобретают заряд под действием ультрафиолета и уносятся с солнечным ветром. В целом его задачи во многом схожи с тем, чем будет заниматься прибор SWAP, но PEPSSI сможет определять энергию частиц вплоть до 1000 кэВ. Масса прибора – 1.5 кг. Разработчик – Лаборатория прикладной физики, научный руководитель – Ральф МакНатт (Ralph McNutt).

Студенческий счетчик пыли SDC (Student Dust Counter) выполняет регистрацию пылевых частиц, образующихся в результате столкновений между астероидами, кометами и телами пояса Койпера, а также поиск пыли в системе Плутона. Это первый научный прибор в планетной миссии NASA, который разработан, создан и управляется студентами в рамках образовательной программы. SDC состоит из двух блоков: детектора размером 45х30 см, размещенного на внешней поверхности КА и открытого для захвата частиц, и блока электроники внутри КА, который регистрирует частицы, оценивает их массу и скорость по электрическому сигналу, возникающему в детекторе при ударе. Масса прибора – 1.9 кг. Он разработан Лабораторией атмосферной и космической физики Университета Колорадо в Боулдере. Научным руководителем является Михай Гораньи (Mihaly Horanyi) из Университета Колорадо.

В полезную нагрузку также включена аппаратура для радиоэксперимента REX. Его целью является зондирование атмосферы Плутона и определение средней температуры и давления у поверхности Плутона и Харона по характеристикам радиосигнала с Земли, достигающего бортовой антенны HGA. Дополнительной задачей для REX является поиск атмосферы у Харона и объектов пояса Койпера. Аппаратура представляет собой одну печатную плату для обработки сигналов массой всего 0.1 кг. Разработчик – Лаборатория прикладной физики и Стэнфордский университет. Научный руководитель – Лен Тайлер (Len Tyler) из Стэнфорда.

Всего, по данным NASA, в реактор загружены 11 килограммов стержней из диоксида плутония. При подготовке к запуску экологи опасались, что в случае аварии радоактивный топливный материал будет рассеян над территорией нескольких штатов. В свою очередь, эксперты NASA и Министерства энергетики США заявили, что герметичный контейнер с плутонием выдерживает удар о землю или взрыв в воздухе, причем вероятность аварии не больше одной трехсотой. 

*

Итак, через 53 минуты после старта зонд отделился от третьей ступени и отправился к Юпитеру, чтобы приобретенное там ускорение (гравитационный разгон) позволило ему долететь до Плутона быстрее (в феврале 2007 г. зонд совершил маневр в гравитационном поле Юпитера, увеличив таким образом свою скорость и изменив траекторию движения). 8 июня 2008 года — аппарат пересек орбиту Сатурна. 
30 июля 2010 года — "Новые горизонты" успешно опробовал на Нептуне и его спутнике Тритоне камеру LORRI с расстояния примерно 23,2 а. е. от Нептуна.
18 марта 2011 года — аппарат пересек орбиту Урана.
1 и 3 июля 2013 года камера LORRI с расстояния 880 млн км сняла Плутон и его крупнейший спутник Харон. Прекрасная чувствительность и угловое разрешение LORRI показало Харон точно в предсказанном положении относительно Плутона, спустя 35 лет после его открытия Джеймсом Кристи. Камера сделала снимки Плутона и Харона при гораздо большем фазовом угле (углом между Солнцем, Плутоном и космическим аппаратом), чем можно достигнуть с Земли или околоземной орбиты. Это может дать важную информацию о свойствах поверхности Плутона и Харона — например, о наличии слоя мелких частиц, покрывающих поверхность

Детальные наблюдения Плутона и его окрестностей начались примерно за 5 месяцев до встречи. Эти данные позволили максимально точно скорректировать траекторию движения зонда. За 3 месяца до встречи, начиная с расстояния около 100 млн км, зонд "Новые горизонты" начал картографическую съемку Плутона и Харона. А за месяц до встречи начались ежедневные наблюдения Плутона. К этому моменту ученые точно определили, есть ли у Плутона еще спутники (нет) и есть ли у него кольца из мелких обломков льда или скальных пород (нет), которые могут представлять опасность для зонда при его пролете мимо Плутона. К этому времени в баке аппарата осталась еще половина гидразинового топлива. 
В момент этого рандеву расстояние между Плутоном и Землей было таково, что радиосигнал об этом дошел до Земли почти через 4,5 часа. Для того чтобы отправить на Землю 2-3 самых важных снимка поверхности Плутона, понадобилось несколько дней, а для передачи всего комплекта данных о Плутоне, записанных аппаратурой зонда, потребовалось более 9 месяцев. 

Пролетев мимо Плутона, "Новые горизонты" отправился дальше. Предполагалось изначально, что на своем дальнейшем пути к границе солнечной системы "Новые горизонты" проведет наблюдения и исследования нескольких астероидов из пояса Койпера, но конкретные кандидатуры астероидов были выбраны позднее.

5 декабря 2017 года, находясь на расстоянии 6,12 млрд км (40,9 а. е.) от Земли, "Новые горизонты" сделал снимки транснептуновых объектов 2012 HZ84 и 2012 HE85 с расстояния 0,50 и 0,34 а. е. соответственно (диаметр отснятых тел составляет примерно 42 и 51 км). 16 августа 2018 года объект пояса Койпера «Аррокот» (2014 MU69) (неофициально «Ультима Туле»), к которому направляется станция, был впервые сфотографирован камерой LORRI с расстояния более 160 млн км. 1 января 2019 года — станция пролетела вблизи этого объекта пояса Койпера на расстоянии 43,4 а.е. от Солнца и более 1 млрд км от орбиты Плутона.

Фотография 2014 MU69 (Аррокот), сделанная камерой LORRI 1 января 2019 года

Руководство миссии заявил о возможности третьего пролета мимо одного из тел в поясе Койпера в 2020-х годах, но это зависит от того, найдут ли астрономы объект, находящийся достаточно близко к текущей траектории космического корабля. 2026 год — ожидаемое окончание программы исследований по условию выработки изотопного источника.

Орбиты астероида 2014 MU69 (белая), Плутона и газовых гигантов, и траектория аппарата «Новые горизонты»

Официальный сайт проекта New Horizons Pluto-Kuiper Belt