Зонд к Плутону: безупречный старт большого путешествия

Ракета Altas-5 с зондом New Horizons уходит к Плутону (фото с сайта pluto.jhuapl.edu)

Космический аппарат New Horizons («Новые горизонты») успешно стартовал к Плутону с космодрома на мысе Канаверал в 22 часа по московскому времени 19 января 2006 года. Через 45 минут после запуска аппарат вышел на орбиту, которая через год приведет его к Юпитеру, а через 10,5 лет — к Плутону.

Полета к Плутону ждали много лет, ведь это единственная планета (пока еще планета) Солнечной системы, которую еще не посещали космические аппараты. Агентство NASA неоднократно откладывало осуществление этого проекта, и в какой-то момент было даже впечатление, что он вовсе не состоится. С середины 90-х годов проект успел сменить несколько концепций и названий — Pluto Fast Flyby, Pluto Express и, наконец, New Horizons Pluto-Kuiper Belt Mission. Однако до 2004 года оставалось неясно, будут ли на проект выделены необходимые средства.

Тут надо сказать, что с полетом к Плутону запросто можно было опоздать. Из-за эксцентричной орбиты расстояние Плутона от Солнца меняется от 30 до 50 астрономических единиц. В период с 1979-го по 1999 год он находился ближе к Солнцу, чем Нептун, а сейчас постепенно удаляется. Чем дальше от Солнца, тем ниже должна опускаться температура на поверхности Плутона. Многие астрономы считают, что где-то после 2015-2020 года это приведет к замерзанию большей части атмосферы Плутона. Если опоздать к этому моменту, то научная сторона экспедиции существенно пострадает.

К счастью, в последние годы интерес к Плутону быстро рос благодаря многочисленным открытиям в поясе Койпера. И буквально в последний момент проекту был дан зеленый свет.

Ракета-носитель

Чтобы поспеть вовремя, было решено воспользоваться одной из самых мощных американских космических ракет «Атлас-5», которая уступает по размерам только «Сатурну-5», использовавшемуся для пилотируемых полетов на Луну.

«Атлас-5» способна вывести на околоземную орбиту более 20 тонн полезной нагрузки, однако масса аппарата New Horizons составляет всего 478 кг. Так что вся мощь ракеты была направлена на разгон аппарата. Результат и в самом деле оказался впечатляющим: после отделения от третьей ступени ракеты-носителя New Horizons приобрел скорость около 16 км/с — это рекордная скорость, с которой космическим аппаратам когда-либо доводилось покидать Землю.

Для того чтобы достичь орбиты Луны, New Horizons потребуется всего девять часов, а полет до Юпитера займет лишь 13 месяцев. Для сравнения, «Аполлоны» тратили на полет до Луны трое суток, а «Вояджеры» добирались до Юпитера более 2 лет. Но даже такая рекордная скорость позволила бы добраться до Плутона только в 2020 году, то есть слишком поздно. Дополнительную скорость аппарат должен приобрести при сближении с Юпитером в феврале 2007 года. Это позволит ему добраться до цели к лету 2015 года.

Научное оборудование

Исследование системы Плутона будет выполняться с пролетной траектории, поскольку возможности современной космонавтики не позволяют аппарату погасить скорость, чтобы выйти на орбиту вокруг Плутона. Предполагается, что New Horizons пройдет на расстоянии 9600 км от Плутона и около 27 тыс. км от Харона. При этом скорость аппарата составит около 14 км/с. После пролета у аппарата останется еще довольно заметный запас топлива для коррекции орбиты, что позволит направить его к одному из объектов пояса Койпера, находящихся за орбитой Плутона. Точных планов на этот счет пока нет, поскольку даже обстоятельства сближения с самим Плутоном еще будут уточняться.

Во время сближения будет вестись съемка освещенной поверхности планеты и ее спутника. Для этого на борту имеется два инструмента. Камера Ralph может работать в видимом и инфракрасном диапазонах и оснащена семью черно-белыми и цветными ПЗС-матрицами. В черно-белом режиме она позволит различать на поверхности детали размером около 500 м. В цветном ее разрешение примерно в три раза хуже, а в инфракрасном диапазоне разрешение не превысит 7 км. Для сравнения, лучшие снимки Плутона, сделанные телескопом Хаббла, имеют разрешение около 500 км. С помощью этой камеры аппарат постарается создать максимально полные карты Плутона и Харона. А вот отдельные, наиболее интересные участки планируется рассмотреть гораздо подробнее при помощи телескопа LORRI (long-range reconnaissance imager) диаметром 8,2 дюйма, который обеспечит разрешение до 25 м.

Для изучения атмосферы и ионосферы Плутона предназначена ультрафиолетовая камера-спектрометр Alice. Анализаторы SWAP (Solar Wind at Pluto) займется взаимодействием солнечного ветра с атмосферой планеты, а прибор PEPSSI (Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation) попробует обнаружить утечку атмосферных газов в космическое пространство — по существующим оценкам, Плутон ежесекундно теряет около 75 кг вещества.

Размещение научного оборудования зонда New Horizons (фото с сайта pluto.jhuapl.edu)

Еще один прибор — REX (Radio Science Experiment) — представляет собой небольшую схему в составе радиопередающей системы аппарата. Он позволит прозондировать атмосферы Плутона и Харона в те моменты, когда аппарат будет скрываться позади них и появляться из-за края диска. По искажениям радиосигналов можно будет определить атмосферное давление и температуру воздуха у поверхности объектов.

И наконец, последний научный прибор аппарата — счетчик космической пыли SDC (Student Dust Counter), получивший такое название, поскольку был разработан студентами университета штата Колорадо в Боулдере. В отличие от всех остальных приборов он будет работать на всём протяжении полета, а не только во время сближения.

Система связи

Кроме научной аппаратуры на борту находится система связи — две широко направленных антенны, которые используются вблизи Земли, параболическая антенна диаметром 12 дюймов со средней шириной диаграммы направленности и большая параболическая антенна диаметром 83 дюйма (210 см), предназначенная для высокоскоростной связи с Землей. Высокой скоростью на расстоянии Плутона считается 700 бит/с — в 50 раз медленнее модемного соединения с интернетом. При такой связи каждый снимок будет передаваться несколько часов, а на передачу всей собранной при пролете Плутона информации потребуется 9 месяцев. Всё это время данные будут храниться в бортовом запоминающем устройстве, емкость которого составляет 16 гигабайт. Для обработки данных служит процессор Mongoose V, работающий на частоте 12 МГц. Низкая частота связана с жесткими требованиями к радиационной устойчивости.

Всю исследовательскую аппаратуру зонда предполагается испытать в 2007 году во время пролета мимо Юпитера. При этом планируется не только провести тестирование, но и выполнить ряд научных задач, которые должны прояснить некоторые вопросы, оставшиеся открытыми после завершения работы аппарата «Галилео». Интересно отметить, что из системы Юпитера на Землю планируется передать больше информации, чем с Плутона — всё дело в меньшем расстоянии и, соответственно, большей скорости связи.

Миновав Юпитер, аппарат проведет остальную часть пути в режиме ожидания. При этом почти вся аппаратура будет выключена, а контрольная связь с Землей производится раз в год. Проснется New Horizons за 5 месяцев до сближения с Плутоном и Хароном, чтобы начать уточнение параметров их движения. Впрочем, к тому времени наблюдения с Земли также должны значительно уточнить динамику этой системы. В частности, в связи с недавним открытием у Плутона еще двух небольших спутников руководители миссии отмечают, что необходимо провести дополнительные наблюдения, чтобы выяснить, не столкнется ли аппарат вблизи Плутона с неприятными сюрпризами вроде кольца или иного космического мусора.

Плутоний для Плутона

Последняя жизненно важная подсистема New Horizons — это его энергетическая установка. Как и у всех космических аппаратов, отправляющихся в дальний космос, она основана на использовании энергии радиоактивного распада. Радиоизотопный генератор содержит 11 кг высокотоксичного диоксида плутония-238. Это позволяет в начале полета постоянно вырабатывать 240 Вт электроэнергии. К моменту прибытия к Плутону мощность энергоустановки за счет распада части плутония снизится до 200 Вт.

Содержащийся в аппарате плутоний стал причиной громких протестов со стороны радикальных экологических движений, которые опасались, негативных последствий в случае катастрофы при запуске ракеты. Перед стартом NASA оценивало вероятность неудачи запуска как 1:350. Однако в большинстве подобных случаев система самоуничтожения рассеяла бы плутоний в верхних слоях атмосферы, что не привело бы к сколько-нибудь существенному радиоактивному загрязнению окружающей среды — каждое ядерное испытание в 50-60-е годы порождало значительно больший объем радиоактивных выбросов в атмосферу. Тем не менее оставался шанс — по оценкам NASA, примерно 1 к миллиону — что случится серьезная авария на самом начальном этапе полета или не сработает система самоуничтожения ракеты. В этом случае могло возникнуть более серьезное радиоактивное загрязнение. Экологические активисты считают, что даже такой небольшой риск не оправдается возможными научными результатами полета.

Старт

Не в последней мере из-за этой опасности, а также, конечно, из-за высокой стоимости всего проекта — около 700 млн долларов — агентство NASA с предельной осторожностью подошло к самому запуску. Первоначально он был назначен на 11 января. Однако возникли неприятности с топливным баком ракеты «Атлас-5». При испытаниях копии бака на повышенные нагрузки — вдвое больше тех, что ожидаются в полете — в нем образовалась трещина. Старт был отложен сначала на 14-е, а затем на 17 января. Но 17 января запустить ракету не удалось из-за слишком сильного высотного ветра. А 18-го произошло отключение электричества в штате Мэрилэнд, где находится центр управления полетом. ЦУП плавно перешел на резервный источник питания, но благоразумно решил, что стартовать в таких обстоятельствах не стоит.

Наконец, 19 января старт неоднократно переносился то на 5, то на 10, то на 15 минут. С техникой, как выяснилось, всё было в полном порядке, однако запуску мешали облака. Нет, не тучи, а просто легкие облачка, которые время от времени набегали на Солнце. Оказывается, по регламенту безопасности полет ракеты «Атлас-5» должен обязательно визуально наблюдаться до высоты минимум 2 км. Наконец, ровно в 22 часа по московскому времени двигатели ракеты заработали.

New Horizons в системе Плутона в представлении художника (рис. с сайта pluto.jhuapl.edu)

Тут, кстати, самое время отметить, что на первой ступени ракеты «Атлас-5» установлены российские двигатели — четыре мощные машины РД-180. На первых 100 секундах полета им помогали пять твердотопливных ускорителя. Вместе они считаются первой ступенью ракеты. Уже через 3 минуты полета ракета достигла высоты 80 км и скорости 3 км/с. На четвертой минуте при полете был сброшен головной обтекатель, ускорение ракеты в этот момент составляло около 5 g. Через 4 минуты 38 секунд после старта первая ступень закончила работу, а скорость ракеты превысила 5 км/с.

Далее в работу включилась вторая ступень — разгонный блок RL10 («Центавр»). За 5,5 минут скорость была доведена до 8 км/с, и аппарат вышел на низкую околоземную, так называемую «парковочную», орбиту. После 20 минут ожидания на ней аппарат достиг нужной точки, и двигатели блока «Центавр» включились вновь, отработав 9,5 минут. Вслед за этим вторая ступень отделилась, и прошла команда на зажигание третьей ступени STAR 48B — пакета из 48 твердотопливных двигателей. Их работа продолжалась всего 1,5 минуты и завершилась выведением аппарата на траекторию полета к Юпитеру.

Александр Сергеев

См. также:
Официальный сайт New Horizons.
Видеозапись старта New Horizons, CNN.

Последние новости: Космические исследования, Александр Сергеев

17 ноября Марсианские глины сформировались в подповерхностных слоях планеты

30 июня Миссия «Улисса» завершена, но странствия продолжаются

24 мая Энцелад жует лед

8 января Представлены доказательства существования озер на Титане

8 сентября SMART-1 спрятал концы в лунную пыль

30 августа Тайну образования Луны, недораскрытую SMART-1, разгадает Chandrayaan

4 августа Лунные зонды разобьются во имя науки

3 августа Марсианские пылевые бури несовместимы с жизнью на планете

2 августа Отправляясь на Титан, не забудьте зонтик

27 июля Существование жидких озер на Титане подтверждено

Астрономические наблюдения недели

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):