В последнее время человечество стало явно наверстывать упущенное, и интерес к исследованию «малых сих» Солнечной системы переживает бурный всплеск. Еще свежи воспоминания о не совсем удачной посадке зонда Philae на комету Чурюмова-Герасименко. Позже в этом году автоматическая межпланетная станция NASA New Horizons, наконец, покажет землянам, как выглядит разжалованный в карликовые планеты Плутон, а затем уйдет дальше, к объектам пояса Койпера. Но сейчас все внимание приковано к другому проекту NASA — к АМС Dawn («Рассвет»), которая этой весной выходит на орбиту Цереры (она теперь, как и Плутон, тоже называется карликовой планетой, хотя и по-прежнему числится в астероидах).
Астероид Веста стал первой целью миссии Dawn. Из-за относительно малой массы это небесное тело так и не приобрело вид правильного (точнее, слегка приплюснутого) шара. Астероид имеет каменистую поверхность, испещренную кратерами (как на Луне), и воды здесь нет.
«Рассвет» не наступал…
Миссия Dawn, отправленная в космос ради изучения двух очень крупных, но совершенно разнотипных астероидов — Весты и Цереры, долгое время находилась под большим вопросом. Казалось, что какая-то сила не хочет допускать человечество к тайнам малых планет. В 2003 году проект был закрыт, вновь открыт на следующий год, но с непонятными перспективами, потом в 2006-м опять закрыт. Но в 2007 году запуск АМС все же был назначен на 20 июня. Неудивительно, что никуда в тот день ничего не полетело, а по множеству разных причин запуск не раз откладывался и состоялся лишь 26 сентября 2007 года. Но и тогда все висело на волоске. Сначала в запретную зону, куда падают отработанные ракетные ускорители, случайно зашел корабль. Корабль выгнали, но пришлось отложить запуск еще на несколько минут, чтобы избежать столкновения с МКС. Лишь за 15 минут до истечения получасового «окна», в котором был возможен запуск, ракета Delta 7925-H унесла AMC Dawn в космическое пространство. В 2009 году станция совершила маневр в гравитационном поле Марса, а в сентябре 2011-го вышла на орбиту астероида Веста. Посвятив год Весте, которая представляет собой нечто вроде Марса или Луны в миниатюре — голая каменистая поверхность, изъеденная кратерами, — аппарат ушел к Церере, которая… ну совсем другое дело!
АМС Dawn начала свою миссию в сентябре 2007 года, а завершит ее летом-осенью 2015-го. Ионный двигатель не мог обеспечить аппарату ускорение ракет на химическом топливе, но мало-помалу довез куда надо. Однако удалось значительно сэкономить на общем весе конструкции, ведь не пришлось тащить с собой в космос большие запасы горючего.
Гостья из прошлого
Церера не зря получила новый статус — уникальное положение в поясе астероидов действительно того заслуживало. Ее поперечник (950 км) приблизительно равен расстоянию между Москвой и Ростовом-на-Дону по прямой и почти в два раза больше, чем у второго по величине астероида — Паллады (532 км). На поверхности Цереры (3 млн км2) можно было бы разместить такую немаленькую страну, как Аргентина. И наконец, масса Цереры составляет треть от общей массы астероидов. Благодаря своему размеру, а следовательно, более сильной гравитации Церера, подобно планетам, сформировалась в почти идеальное сферическое тело, в отличие от более легких астероидов, имеющих неправильную форму. Вот как, например, напоминающий картофелину астероид Лютеция, который европейский зонд «Розетта» облетел в 2010 году.
Но главное, что влечет ученых к Церере, — это желание заглянуть как можно дальше в прошлое Солнечной системы. Если с момента формирования большие планеты земного типа претерпели множество трансформаций в результате геологических процессов, то астероиды сохранились в относительно нетронутом виде. Изучив крупнейшие из них, можно составить представление о том, какую роль масса небесного тела и наличие на нем воды могли сыграть в формировании его облика. Как удалось выяснить с помощью АМС Dawn, на Весте, которая по массе в 3,5 раза уступает Церере, воды нет, хотя в большом количестве наличествуют минералы, содержащие водород. Церера, очевидно, напротив, обладает криомантией. Предполагается, что под каменистой корой на Церере может находиться слой льда, причем слой, по нынешним оценкам, имеет толщину 100 км, то есть на лед может приходиться около 50% общего объема карликовой планеты. Таким образом, Веста и Церера демонстрируют два разных пути формирования небесных тел, и более глубокое понимание этих путей должно приблизить науку к ответам на ряд вопросов о формировании Земли и других теллурических планет. 27 января, когда этот номер «ПМ» уже готовился к печати, Dawn передала на Землю первое относительно качественное изображение Цереры. Это еще не детальная картинка поверхности, но уже и не мутное пятнышко, как на фото с телескопа Hubble.
Сила дуновения
Миссию Dawn нельзя рассматривать в отрыве от конструкции самой станции, так как зонд воспринимается специалистами NASA не только как инструмент исследования небесных тел, но и как испытательная платформа для отработки технологий межпланетных полетов. Главная силовая установка, с помощью которой Dawn путешествует по Солнечной системе, — это ионный двигатель. Ионный двигатель — частный случай электрического ракетного двигателя (ЭРД), основной принцип работы которого заключается в превращении электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц. В самом ЭРД нет ничего принципиально новаторского — двигатели такого типа не раз применялись на орбитальных аппаратах, причем СССР в этой сфере шел впереди США. Однако использование ЭРД для перемещений в межпланетном пространстве — тема далеко не изученная. Предыдущий опыт применения ионного двигателя был у американцев в конце 1990-х годов на аппарате Deep Space 1, который, хоть и сближался с астероидом и кометой, был в основном испытательной платформой.
Солнце — единственный источник энергии для ионного двигателя и всей прочей аппаратуры АMС. Чтобы собрать максимум солнечного излучения, потребовалось сделать огромные батареи. В разложенном состоянии их длина — 19,7 м.
Ионный двигатель АМС Dawn построен по той же технологии NSTAR, что и силовая установка Deep Space 1. Суть его работы заключается в том, что атомы ксенона (инертный газ применяется в основном для того, чтобы избежать коррозии) бомбардируются электронами. Возникающий таким образом ионизированный газ попадает в электрическое поле и выбрасывается из сопла. За счет высокого отношения заряда к массе ионов истекающие частицы развивают огромную скорость — до 145 000 км/ч. Правда, возникающая при этом реактивная тяга смехотворна — всего 90 миллиньютонов. Это можно сравнить с давлением, которое оказывает на ладонь лежащий на ней лист писчей бумаги. Однако в безвоздушном пространстве ионный двигатель толкает станцию вперед и очень медленно ее разгоняет. Медленно, но верно. Максимальная скорость, которой достигает аппарат, составляет 38 000 км/ч. Преимущества ионного двигателя? Ничтожный расход рабочего тела. На всю миссию зонду выделено всего 425 кг ксенона. Если бы полет совершался на обычной химической силовой установке, в путь пришлось бы брать огромные запасы топлива, потребовалась бы более мощная ракета-носитель, и это была бы совсем другая, куда более затратная история. Которая, возможно, так и осталась бы в планах.
Впрочем, у ионного двигателя, работающего с электрическим полем, есть и уязвимое место. 11 сентября прошлого года в центре управления полетом узнали неприятную новость: ионный двигатель выключился. Вместе с ним вышла из строя главная антенна, через которую осуществлялась связь с Землей. Причиной было признано действие космической радиации, возможно, в результате вспышки на Солнце. Воздействовала ли радиация напрямую на работу двигателя или просто вызвала сбой в ПО, до конца непонятно, однако уже 15 сентября работу двигателя и остальной аппаратуры удалось возобновить.
Черные крылья
Ионный двигатель — это основное, но не единственное устройство, приводящее зонд в движение. АМС располагает также маневровыми двигателями, которые помогают выйти на орбиту астероидов и менять ориентацию аппарата во время съемок поверхности. Топливом для этих двигателей служит гидразин.
Поскольку полет проходит относительно недалеко от Солнца, в качестве источника энергии для питания АМС, включая ионные двигатели, служит массив солнечных батарей. Их установленная мощность — 10 КВт. Две панели батарей могут складываться в три раза, но в расправленном виде они производят впечатление огромных крыльев с размахом более 19 м. Батареи строили голландцы, и этим участие европейцев в американском проекте не ограничилось.
В наши дни космические экспедиции становятся не просто научными экспериментами, но и элементом поп-культуры. В этом, возможно, заинтересованы и сами производители космических аппаратов — ведь им, как, например, создавшей АМС Dawn компании Orbiter Sciences Corporation, тоже нужен PR. Примером такой пиар-акции может быть микрочип, на котором записаны имена 360 000 любителей космоса, которые в 2005—2006 годах активно поддерживали проект, находившийся на грани закрытия. Одна копия микрочипа отправилась в космос вместе с Dawn — она закреплена над соплом ионного двигателя. Другая копия хранится в музее Лаборатории реактивного движения NASA.
Свой вклад в научное оборудование АМС внесла Германия. Институт по исследованию Солнечной системы им. Макса Планка предоставил систему фотосъемки поверхности астероидов. Это две камеры, у каждой из которых черно-белая матрица размером 1024 x 1024 пикс. Цветная матрица тут и не нужна — ученым требуется не разноцветная картинка, а карта, отмечающая интенсивность излучения световых волн в той или иной части спектра. Для этого камеры оснащаются семью узкополосными цветными фильтрами. Каждый аппарат может снимать одним из двух объективов — с фокусными расстояниями 19 и 150 мм. Камеры способны делать снимки с выдержками от 0,001 с до 3,5 часа. А зачем АМС Dawn два одинаковых фотоаппарата? Дело том, что камера нужна как для научных нужд, так и для навигации, и, учитывая важность этого устройства, было решено прибегнуть к резервированию.
Дополнительно для изучения химического состава пород, слагающих кору Цереры, будет применяться прибор под названием GRaND. Это аббревиатура, обозначающая «детектор гамма-излучения и нейтронов». В дистанционном режиме устройство сможет обнаруживать как легкие элементы типа водорода, углерода или азота, так и элементы, обычно лежащие в основе горных пород, — алюминий, кремний, кислород, железо. Также на борту размещен спектрометр видимого и инфракрасного излучения (VIR), который на основе спектрального анализа может определить состав, свойства и температуру пород.
Жизнь на гидразине
Первые фото Цереры Dawn стала передавать еще начиная с декабря прошлого года, хотя поначалу они были не более информативны, чем хаббловский снимок. Попутно выяснилось, что на пути к орбите фото будет меньше, чем их было при приближении к Весте. Дело в том, что для съемки аппарат надо специально позиционировать. Сделать это можно двумя способами: или запускать маневровые движки, или использовать специальные маховики, с помощью которых АМС можно раскручивать вокруг центра массы или, напротив, тормозить такое движение. Однако по пути от Весты два маховика вышли из строя, а тратить драгоценный гидразин до достижения орбиты не представляется рациональным. Ведь по сути, когда закончится топливо для маневровых двигателей, миссия Dawn будет прекращена. До этого на орбите Цереры предстоит еще много сделать.
Первая орбита, на которую выйдет аппарат, будет находиться на высоте 13 500 км. Для общего ознакомления здесь будут сделаны первые орбитальные фотосъемки и замеры, но уже через две недели Dawn приблизится к карликовой планете на расстояние 4430 км. С этой так называемой обзорной орбиты станция сделает общие фотоснимки астероида и создаст «глобальные» спектральные карты. Данная фаза продлится 22 дня, после чего Dawn опустится на высоту 1480 км. На этой орбите сделают новые снимки (в том числе 3D) и карты поверхности, только с большим разрешением. Наконец, в ноябре текущего года станция выйдет на максимально близкое расстояние к Церере — 375 км. С этой высоты аппарат проведет последнюю фазу исследований — в дело вступит детектор нейтронов и гамма-излучения. Будет также изучаться гравитационное поле астероида.
Малые планеты и астероиды – источники ценной для ученых информации о ранних стадиях образования планетарных систем.
Ввиду малых размеров наблюдать их с помощью телескопов и другой наземной аппаратуры крайне тяжело. Даже выведенный на орбиту телескоп «Хаббл» недостаточно информативен для их изучения. Только находясь в непосредственной близости от этих тел, можно провести нужные исследования и затем передать результаты на Землю. Именно такая задача возложена на космический аппарат Dawn с временным ориентиром завершения работ – июль 2015 года.
Ракета-носитель
Для запуска исследовательского зонда использовалась ракета-носитель Delta II, являющаяся аналогом российского «Союз-У». Эта модификация разработана в 1989 году американской компанией «МакДоннел Дуглас» и относится к среднему классу носителей.
Получила активное применение после закрытия программы по использованию «Спейс Шаттл». Монополизация космического рынка США такими гигантами как Boeing и Lockheed Martin, привела к тому, что сейчас производством этих ракет (как и Atlas V) занимается их совместная коммерческая структура – United Launch Alliance.
Задачи экспедиции
Миссия аппарата Dawn – достичь астероида Веста и карликовой планеты Церера, которые располагаются в поясе астероидов, обращающемся вокруг Солнца между орбитами Марса и Юпитера. Имеющаяся на борту аппаратура позволяет собрать необходимые ученым данные и передать их на Землю. Эти два объекта в некотором смысле являются антиподами и именно поэтому выбраны в качестве объектов исследования. Считается, что поверхность Цереры покрыта толстым слоем льда (до 100 км), а Веста представляет собой базальтовый метеорит.
Основные характеристики станции
Межпланетная станция имеет форму близкую к параллелепипеду с максимальным и минимальным габаритными размерами 1,77 м и 1,27 м соответственно. Антенна, установленная на одной из граней, имеет диаметр 1,52 м. Масса летательного аппарата (с топливом) – 1217.7 кг. Двигательная установка состоит из 12 двигателей коррекции (тягой 0,9 Н), работающих на гидразине, и трех электрореактивных двигателей. Последние имеют регулируемый диапазон тяги 19–92 мН и суммарную продолжительность работы более 50 тысяч часов. Энергообеспечение станции осуществляется двумя внешними солнечными батареями и одной бортовой – никель-водородной.
Галерея снимков Цереры переданных зондом Dawn
Система управления
Система управления космического аппарата основана на трех стойких к радиации одноплатных процессорах RAD6000, обладающих памятью в 8 Гбит. По сути, они дублируют работу друг друга, создавая повышенную надежность системы в целом. Для связи с центром управления станция оборудована четырьмя антеннами: одной остронаправленной и тремя обычными. Мощность, потребляемая бортовым передатчиком, составляет 100 Вт, а скорость передачи информации на Землю варьируется в диапазоне от 41 до 128 кбит/с.
Бортовое оборудование
Космический аппарат оснащен тремя основными комплексами научной аппаратуры, предназначенными для изучения малых планет. В первый входят две дублирующие друг друга кадровые камеры Framing Camera, изготовленные в Германии. Они оснащены цветными фильтрами, работающими в видимом и инфракрасном диапазоне. Второй тип оборудования – детектор гамма лучей и нейтронного излучения, включающий в себя 21 датчик, которые должны помочь определить химический состав небесных тел. И третий – спектрометр, работающий в видимом и инфракрасном диапазоне и предназначенный для минералогических исследований.
Хронология событий
В 2007 году, 17 декабря межпланетная станция отправилась в космическое путешествие. Ключевыми событиями на первом этапе стали: гравитационный маневр для набора скорости в районе Марса в декабре 2009 года и прилет в зону астероида Веста в августе 2011.
Геологическая карта Весты, составленная по данным зонда Dawn
Полный календарный год был отведен на проведение исследований этого небесного тела. Первоначально планировалось задержаться там на три месяца меньше, но из-за необходимости более подробного изучения участка, скрытого в тени, экспедиция задержалась.
1 июля основная миссия зонда Dawn подошла к концу. NASA не собирается прекращать работу аппарата, как . Но и дальше Цереры Dawn не полетит, как предполагалось. Раньше команда проекта планировала, что зонд после изучения планетоида Цереры полетит дальше - сначала к Солнцу, выйдя на безопасную для себя орбиту, и затем к астероиду Адеона . Последний пункт плана был рассчитан на май 2019 года.
Но сейчас специалисты пришли к выводу , что изучение Цереры стоит продолжить - научная ценность текущей миссии будет выше, чем посещение Адеоны. Ученые полагают, что Dawn сможет получить интересные для науки данные при прохождении планетоида через перигелий - минимально удаленную от Солнца точку орбиты. Команда проекта никак не могла прийти к общему мнению в плане продления миссии зонда. 1 июля на сайте NASA даже появился пост с информацией о полете Dawn к Адеоне. Чуть позже пост убрали, а представители агентства заявили о том, что публикация этого материала была ошибкой. Теперь на сайте размещена информация о том, что зонд остается на орбите Цереры. 
Фотографии пятен на Церере, присланные Dawn в марте 2016 года (фото: NASA)
Долгая дорога к Церере
История зонда Dawn началась в 1992 году, когда ведущий специалист проекта Кристофер Рассел (Christopher Russell) представил эффективные ионные двигатели аппарата. Они не могут развивать такую значительную тягу, как ракетные двигатели, зато работают гораздо дольше. Такие движки изначально планировалось устанавливать на искусственные спутники Земли, но Рассел решил поставить их на аппарат, который отправится к поясу астероидов Солнечной системы.Авторы проекта получили три отказа от руководства NASA, но в 2001 миссия все же получила одобрение. В рамках миссии зонд Dawn должен был посетить два крупнейших объекта пояса астероидов: Весту, самый большой астероид в Солнечной системе, и Цереру, карликовую планету. По словам Рассела, при использовании химических ракетных двигателей к Весте и Церере понадобилось бы запустить два аппарата - топлива просто не хватило бы на посещение сразу двух объектов в поясе астероидов. Но поскольку команда проекта решила использовать ионные двигатели, всю программу можно было выполнить с использованием всего одного аппарата.
Почему для изучения решили выбрать Весту и Цереру? Дело в том, что ученые считали их старейшими объектами Солнечной системы. Их изучение помогло бы прояснить некоторые аспекты происхождения планет и выяснить, какие процессы привели к формированию Солнечной системы в текущем ее виде. При этом оба объекта отличаются друг от друга. Веста - скалистый мир без большого количества жидкости или газов. Поверхность Весты покрыта метеоритными кратерами. Церера отличается от Весты меньшей плотностью, ранее высказывались предположения, что ее поверхность может быть покрыта льдом, а под поверхностью может скрываться океан жидкой воды. Кроме того, на поверхности Цереры астрономы заметили загадочные яркие пятна. Но с Земли было невозможно понять, что это за образования, и какова их природа. Церера - единственный объект в Солнечной системе с такими свойствами.
Успехи миссии Dawn
Зонд запустили в космос в 2007 году. Вывод аппарата за пределы Земли был осуществлен при помощи ракеты-носителя Delta II. К Весте аппарат приблизился в 2011 году.
Кратер Антония (южное полушарие Весты). Фото: NASA
Пробыв на орбите астероида год, зонд отправился к Церере. На орбиту планетоида Dawn вышел в марте 2015 года. В октябре 2015 года космический аппарат занял самую низкую орбиту.
По мере сближения с планетоидом ученые Земли получали все более и более качественные снимки Цереры и ее поверхности. Но природу пятен удалось выяснить только после максимального сближения с планетоидом. До этого момента одной группой ученых высказывались предположения о том, что пятна - это выход водяного льда на поверхность. Другие специалисты утверждали, что это выход солей на поверхность.
После того, как зонд выслал последние данные изучения пятен с фотографиями высокого разрешения этих образований, ситуация прояснилась. Вероятнее всего, пятна состоят из сульфата магния, химического соединения с большим альбедо. Кстати, не так давно ученые над этими пятнами.
Ученые выяснили, что под поверхностью планетоида находятся крупные запасы водяного льда. Ученые утверждают, что на ранних этапах своей эволюции Церера была теплым миром, и на ее поверхности плескался океан. К сожалению, с течением времени этот мир начал остывать. А поскольку собственного источника тепла (как у Европы, например) у планетоида не было, то вода замерзла.
Что дальше?
Зонд Dawn продолжит изучение планетоида, находясь на его орбите. Вопросов о происхождении Цереры, о структуре ее поверхностных слоев и недр больше, чем ответов. И ученые надеются получить ответы хотя бы на часть этих вопросов.Исследовательский космический аппарат Dawn, выйдя на орбиту вокруг Цереры, достиг очередной вехи в выполнении его миссии по изучению космического пространства. Согласно информации, предоставленной американским космическим агентством НАСА, аппарат вышел на круговую орбиту в пятницу, 6 марта 2015 года в 12:39 по времени Гринвичского меридиана и в настоящее время находится на орбите на высоте около 61 тысячи километров от поверхности карликовой планеты. Данное событие делает космический аппарат Dawn первым в истории аппаратом, побывавшим возле карликовой планеты и первым аппаратом, которому удалось побывать на орбитах вокруг двух космических тел.Сигнал, подтверждающий выход аппарата Dawn на орбиту Цереры был получен приемниками сети дальней космической связи NASA Deep Space Network в 13:36 по Гринвичу. Это объясняется тем, что Церера и аппарат Dawn находятся на удалении 3.33 астрономических единиц (498 миллионов километров) от Земли, и радиосигналу требуется около 55 минут для того, чтобы дважды преодолеть это расстояние.То, что сделало возможным выполнение сложной мисси аппарата Dawn - это его ионный двигатель, который для вырабатывания силы тяги использует электрическую энергию, а не энергию сгорающего топлива. Из сопла двигателя вырывается поток электрически заряженных ионов ксенона, разогнанных до огромной скорости, благодаря чему ионный двигатель минимум в 10 раз более эффективен, нежели любой другой реактивный двигатель. Единственным недостатком ионного двигателя является малое значение вырабатываемой силы тяги, которая приблизительно равна весу одного листа бумаги. Но ионный двигатель может работать непрерывно в течение многих месяце и даже лет, плавно и постепенно разгоняя за это время космический аппарат до чрезвычайно высоких скоростей.
Результатом малого значения силы тяги двигателя подход аппарата Dawn к Церере был долгим и неторопливым, а сам процесс напоминал процесс сплава стволов спиленных деревьев по реке с очень медленным течением. Такой процесс потребовал очень точного исполнения, ведь любая из ошибок могла привести к тому, что аппарату Dawn пришлось бы провести очень медленную и длительную коррекцию курса и вернуться назад, произведя повторную попытку выхода на заданную орбиту. Напомним нашим читателям, что космический исследовательский аппарат Dawn был запущен в космос 27 сентября 2007 года. После пролета мимо Марса 4 февраля 2009 года и разогнавшись за счет сил его гравитации, аппарат Dawn сблизился и 16 июня 2011 года занял орбиту вокруг протопланеты под названием Веста. Там аппарат находился 14 месяцев, проводя различные научные исследования и съемку, после чего снова включил свой ионный двигатели и отправился в полет к Церере, который длился три с половиной года.Представители НАСА сообщают, что аппарат Dawn будет находиться на орбите Цереры очень долгое время. За последующие несколько месяцев аппарат будет постепенно приближаться к поверхности карликовой планеты, делая все более подробные снимки поверхности, выясняя природу происхождения светлых пятен, изучая особенности геологического строения и выискивая другие следы любой геологической активности.
|
|||||||||
Аппарат Dawn сочетает передовые технологии, уже примененные в других миссиях, стандартные элементы, а также запасные части и приборы, оставшиеся от предыдущих миссий. Большинство систем космического аппарата имеет резервирование, это означает, что если основные системы столкнутся с проблемами, будут задействованы дублирующие. Автоматизированная бортовая система защиты от неисправностей определит любое необычное состояние и [при необходимости] попытается перейти на дублирующую систему. При сложенных солнечных батареях аппарат имеет ширину 2,36 м, с расправленными солнечными батареями – 19,7 м.
Конструкция.
Основой конструкции космического аппарата Dawn является цилиндр из графитового композита. Внутри цилиндра установлены баки с ксеноном для ионных двигателей и с гидразином для обычных двигателей малой тяги. Цилиндр окружен панелями на алюминиевой основе, облицованными алюминием, большая часть другого оборудования смонтирована на этих панелях. Все панели аппарата облицованы композитным материалом или алюминием и имеют алюминиевую основу. Тепловые экраны, поверхностные радиаторы, покрытия и нагреватели контролируют температурный режим аппарата.
Ролик Лаборатории реактивного движения [НАСА] о миссии Dawn
Связь. Подсистема телекоммуникации обеспечивает связь с Землей через любую из трех широконаправленных антенн и одну параболическую узконаправленную антенну 1,52 м в диаметре. Узконаправленная антенна является основной для большинства сеансов связи, если аппарат не направлен ею на Землю, то используются широконаправленные антенны. Одновременно может использоваться лишь одна антенна.
Управление ориентацией. Система управления ориентацией отвечает за определение ориентации корабля в пространстве и осуществляет контроль над поддержанием или изменением ориентации аппарата. Аппаратура системы содержит два астроориентатора, три двухосевых инерциальных блока, 16-ть солнечных датчиков и четыре блока маховиков. Эта система управляет шарнирным механизмом, поддерживающим направление солнечных батарей на Солнце. Кроме того, она контролирует поворот в карданном подвесе ионных двигателей в двух осях. Обычно [штатно] система определяет ориентацию космического аппарата, используя астроориентатор для наблюдения за известными звездами.
Ориентация аппарата обычно [штатно] контролируется маховиками, которые по устройству подобны обычным гироскопам, использующим момент инерции вращающейся массы для поддержания или изменения ориентации аппарата. Кроме того, ориентация может поддерживаться или изменяться набором из 12-ти двигателей [на гидразине, тягой в 0,9 Н], образующих реактивную систему управления. Выступая главным образом в качестве резерва для маховиков, сразу после запуска космического аппарата двигатели системы ориентации были использованы для прекращения вращения аппарата и направления солнечных батарей на Солнце.
Ионная двигательная установка обеспечивает Dawn тягой, необходимой для достижения целевых астероидов. Требуемая программа полета была бы невозможна без применения ионных двигателей, даже миссия к одной Весте [без полета к Церере] потребовала бы много большего космического аппарата и значительно большей ракеты-носителя. Ионный двигатель был опробован в миссии НАСА Deep Space 1, где во время путешествия к астероиду и комете были испытаны еще 11 технологий.
Каждый из трех ионных двигателей, имеющих диаметр 30-ть сантиметров, подвижны в двух осях, что позволяет учесть перемещение центра масс аппарата в течение миссии. Это также позволяет системе управления ориентацией использовать ионные двигатели для помощи в управлении ориентацией аппарата.
Каждый из трех ионных двигателей обладает достаточным сроком службы, чтобы завершить миссию и еще иметь достаточный ресурс. Несмотря на это, в любой момент времени работает только один двигатель. Ионные двигатели Dawn работают непрерывно годами, отключаясь лишь на несколько часов каждую неделю для поворота антенн на Землю. Общее время тяги во время миссии составит около 2000 дней, что значительно превышает 687 дней работы ионных двигателей зонда Deep Space 1.
В ионных двигателях аппарата происходит ионизация рабочего тела [ксенона], далее образовавшиеся ионы ускоряются электростатическим полем до скоростей в десять раз превышающих [скорости истечения рабочего тела] химических двигателей. Регулировка уровня подачи рабочего тела и электрического [поля] позволяет управлять [тягой] двигателей. Двигатели экономны в расходе ксенона, используя при максимальной тяге лишь около 3,25 мг/с. Космический аппарат Dawn несет 425 кг ксенона.
Максимальная тяга каждого двигателя 91 мН, для сравнения, вес листа бумаги формата A4 составляет около 50 мН. Это может показаться очень маленькой величиной, но общее изменение скорости под действием ионных двигателей сопоставимо с действием ракеты-носителя Delta II, что вывела аппарат Dawn в космос в 2007 году, потому что ионная двигательная установка будет работать тысячи дней, а Delta II - минуты.
Питание. Система электропитания обеспечивает энергией все бортовые системы, в том числе ионную двигательную установку, требующую во время работы значительную электрическую мощность, которая должна быть обеспечена даже на орбите вокруг Цереры. Эта карликовая планета расположена в три раза дальше от Солнца, чем Земля, поэтому плотность потока солнечного излучения в ее окрестностях в девять раз ниже.
Каждая из двух солнечных батарей имеет длину 8,3 м и ширину 2,3 м. Передняя сторона каждой батареи покрыта 5740 отдельными фотоэлементами и имеет площадь в 18 м 2 . Элементы преобразуют в электричество около 28% падающей на них солнечной энергии. На Земле эти две батареи вместе могли бы генерировать более 10 кВт. Батареи установлены на противоположных сторонах космического аппарата на шарнирном соединении, что позволяет поворачивать их под любым углом для направления на Солнце.
Никель-водородный аккумулятор и связанная с ним заряжающая электроника обеспечивает питание во время запуска и в моменты, когда солнечные батареи не направлены на Солнце.
Компьютер. Система обработки команд и данных аппарата Dawn обеспечивает общий контроль над кораблем и управляет потоком технических и научных данных. Система имеет резервирование и основана на радиационно-стойких одноплатных компьютерах RAD6000, каждый из которых имеет по 8 Гбит памяти.
Научные инструменты
Для получения научных данных с Весты и Цереры Dawn несет три системы инструментов. Кроме того, эксперимент по измерению гравитационного [поля] будет выполнен при использовании космического аппарата и наземных систем.
Кадровый фотоаппарат разработан для получения в научных целях детальных оптических изображений, а также для навигации в окрестностях Весты и Цереры. Dawn несет две идентичные и в целях резервирования абсолютно независимые друг от друга камеры, каждая из них имеет свою собственную оптику, электронику и конструкцию. Каждая камера оснащена рефракционной оптической системой с фокальным отношением f/7,9 и фокусным расстоянием в 150 мм и может использовать 7 цветных фильтров, что будет полезно при изучении минералов на поверхности Весты. Кроме того, камеры способны регистрировать ближний инфракрасный диапазон электромагнитного спектра. Каждая камера имеет внутреннее хранилище данных на 8 Гбит. Конструированием и производством камер занимался Институт исследований Солнечной системы общества Макса Планка [Германия] в сотрудничестве с Институтом планетных исследований Германского аэрокосмического центра и Техническим университетом Брауншвейга .
Элементный состав Весты и Цереры будет исследован Детектором гамма и нейтронного излучения . Этот инструмент использует 21 датчик с очень широким полем обзора для измерения энергии гамма-лучей и нейтронов, отраженных или испущенных небесным телом. GRaND проведет картографирование содержания основных породообразующих элементов, долгоживущих радиоактивных элементов, а также летучих, в том числе водорода, углерода, азота и кислорода, являющихся основными компонентами льдов [которые лежат на глубине до одного метра]. В отличие от остальных инструментов аппарата Dawn GRaND не имеет внутреннего хранилища данных. Инструмент разработан Лос-Аламосской национальной лабораторией [США].
Минералогия поверхностей Весты и Цереры будет исследована Картографирующим спектрометром видимого и инфракрасного диапазона . Инструмент является модификацией спектрометров, полетевших в миссиях Европейского космического агентства [ЕКА] Rosetta и Venus Express. Кроме того, прибор несет наследие картографирующего спектрометра видимого и инфракрасного диапазона космического аппарата Cassini [НАСА]. Инструмент регистрирует интенсивность света каждого пикселя всех изображений в более 400-ах диапазонах длин волн. Сравнение данных наблюдений с лабораторными измерениями для аналогичных минералов позволит определить минералы, находящиеся на поверхности Весты и Цереры. Прибор имеет 6 Гбит внутренней памяти, которая может работать в режиме хранилища данных на 3 Гбит с резервированием. Спектрометр был предоставлен Итальянским космическим агентством, он спроектирован и построен Galileo Avionica в сотрудничестве с Национальным институтом астрофизики Италии.
Отслеживая сигнал радиопередатчика аппарата Dawn наземными антеннами, исследователи смогут определить едва различимые изменения гравитационных полей Весты и Цереры, указывающие на распределение массы внутри этих небесных тел, их внутреннюю структуру.
Научные цели
Основная цель миссии Dawn состоит в исследовании астероида 4 Веста и карликовой планеты 1 Церера одним и тем же набором инструментов одного космического аппарата. Глубокий анализ и сравнение этих двух небесных тел даст представление об их происхождении и эволюции, а значит лучшее понимание действовавших на них с момента образования условий и процессов.
Во время орбитальных исследований Весты и Цереры Dawn будет изучать внутреннюю структуру, плотность и однородность путем измерения их массы, формы, объема и состояние вращения, а также определит элементный и минеральный состав. По этой информации ученые смогут определить связь между метеоритами и их родоначальными объектами, а также термальную историю объектов. Изображения поверхности откроют историю бомбардировки, тектоники и, возможно, вулканической активности.