Исследования зондами планет за главным поясом

Январь 2006 года — плановая коррекция траектории полёта аппарата для предстоящего выполнения гравитационного манёвра около Юпитера. 28 и 30 января кратковременными включениями двух маневровых двигателей зонда скорость аппарата изменена в общей сложности на 18 м/с.

7 апреля 2006 года — пересечение орбиты Марса на расстоянии 243 млн км от Солнца. Скорость аппарата составляла около 21 км/с.

13 июня 2006 года — аппарат прошёл в 110 тыс. км от небольшого астероида 132524 APL (ранее известного под временным обозначением 2002 JF56). Проведено фотографирование и проверка систем захвата и сопровождения движущейся цели.

К сентябрю 2006 года проверена работоспособность всех семи научных приборов.

28 февраля 2007 года — гравитационный манёвр в окрестностях Юпитера. В 05:43:40 UTC аппарат приблизился к планете на расстояние 2,305 млн км. Получены фотографии Юпитера и его спутников в высоком разрешении.

Пять совмещённых изображений спутника Юпитера Ио с КА «Новые горизонты», на которых видно, как вулкан в патерах Тваштара извергает выбросы на 330 км над поверхностью:

8 июня 2008 года — пересечение орбиты Сатурна.

С 7 июля по 2 сентября 2009 года — третья плановая проверка (АСО-3). Установлено, что бортовая аппаратура функционирует нормально.

9 ноября 2009 года — проведена серия коррекций траектории, обеспечившая ориентацию диаграммы направленности антенны для связи с Землёй.

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 — пересечение орбиты Урана.

10 января 2013 года — очередной сеанс связи с аппаратом, плановая проверка оборудования, загрузка обновлённого программного обеспечения.

1 и 3 июля 2013 года камера LORRI с расстояния 880 млн км сняла Плутон и его крупнейший спутник Харон. Снимки Плутона и Харона сделаны при значительно большем фазовом угле, чем достижимый из окрестностей Земли. Это может дать важную информацию о свойствах поверхности Плутона и Харона — например, о наличии слоя мелких частиц, покрывающих поверхность.

В конце 2013 года аппарат прошёл в 1,2 а.е. от троянского астероида Нептуна 2011 HM102, однако никакие наблюдения не проводились, так как уже шла подготовка выхода к Плутону.

С 5 по 17 января 2014 проведены проверка антенны, обновление навигационной карты звёзд и ряд других технических проверок.

17 июня 2014 года — начало ежегодной проверки систем (последней перед прибытием к Плутону).

14 июля 2014 года — шестая коррекция курса за время полёта. Двигатели проработали 87,52 секунды и обеспечили приращение скорости в 1,08 м/с, потратив около 250 г топлива из 53 кг, имеющихся на борту. Манёвр ускорил прибытие «Новых горизонтов» в систему Плутона на 36 минут — согласно уточнённым данным об орбитах Плутона и Харона, их взаимное расположение в этот момент позволит провести наблюдения согласно планам. Ранняя коррекция позволяет избежать более затратных манёвров впоследствии.

25 августа 2014 года — пересечение орбиты Нептуна.

6 декабря 2014 года — команда на выведение «Новых горизонтов» из режима гибернации для начала плановых наблюдений. С середины 2007 года аппарат 18 раз погружался в «спящий режим» на время от 36 до 202 дней, в общей сложности 1837 дней (почти две трети времени полёта).

15 января 2015 года — сближение на 75 млн км (0,5 а.е.) с астероидом 2011 KW48, обращающимся на расстоянии около 30—40 астрономических единиц от Солнца.

Январь 2015 года — начало оптических наблюдений системы Плутона с большого расстояния с целью уточнения пространственного положения аппарата и коррекции его курса. Также начато исследование межпланетной среды научными приборами аппарата.

10 марта 2015 года — коррекция траектории, установившая новый рекорд по удалённости манёвра от Солнца (около 4,77 млрд км). Предыдущий рекорд (4,5 млрд км от Солнца) принадлежал Вояджеру-2, выполнившему манёвр в окрестностях Нептуна в августе 1989.

5 мая 2015 года — разрешение изображений Плутона с «Новых горизонтов» превысило разрешение лучших снимков, полученных космическим телескопом «Хаббл».

12 мая 2015 года — опубликованы снятые «Новыми горизонтами» фотографии, на которых видны все известные на данный момент спутники Плутона (фото сняты с 25 апреля по 1 мая).

30 июня 2015 — с помощью прибора Ralph подтверждено наличие на Плутоне метанового льда, впервые открытого в 1976 году обсерваторией Китт-Пик.

4 июля 2015 — компьютер зонда «Новые горизонты» дал сбой, приведший к перерыву связи с центром управления полётом на 81 минуту. Управление аппаратом автоматически переключилось на резервный компьютер, который восстановил связь с Землёй и передал данные телеметрии. Устранение проблемы осложнялось временем прохождения сигнала от Земли до зонда и обратно, составлявшее около 4,5 часов в одну сторону

6 июля 2015 — специалисты NASA заверили, что компьютерный сбой 4 июля не повлияет на дальнейший ход миссии

14 июля 2015 года, около 11:50 UTC — пролёт на расстоянии около 12,5 тысяч километров от поверхности Плутона. В целом аппарат проводил наблюдения 9 дней, собрав примерно 50 гигабит информации. Передача собранных данных на Землю продолжалась до 25 октября 2016 года.Была сделана фотография спутника Плутона - Харон

20 июля 2015 года — завершение передачи на Землю первого пакета изображений системы Плутона с пролётной траектории.

28 августа 2015 года — группа управления NASA сделала выбор следующей цели «Новых горизонтов» среди объектов пояса Койпера. На момент запуска аппарата подходящих объектов-целей не было известно, но в октябре 2014 года с помощью телескопа «Хаббл» удалось найти три потенциальных цели: (486958) 2014 MU69, 2014 OS393 и 2014 PN70. Запас топлива после пролёта Плутона позволял провести коррекцию направления движения в пределах 1 градуса, вероятность успешного достижения этих целей оценивалась в 100 %, 7 % и 97 % соответственно. Более привлекательной целью был более яркий (и предположительно более крупный) 2014 PN70[en], но окончательный выбор пал на (486958) 2014 MU69, поскольку для его достижения требовалось лишь около 35 % оставшегося горючего, что позволяло сохранить запас маневренности на случай появления ранее непредвиденных полётных задач.

5 сентября 2015 года — возобновление передачи данных, собранных во время пролёта мимо Плутона.

22 октября 2015 года — первая после пролёта Плутона коррекция траектории космического зонда с использованием двух малых гидразиновых двигателей, проработавших 16 минут и изменивших скорость станции на 10 м/с.

25 октября 2015 года — вторая коррекция траектории.

28 октября 2015 года — третья коррекция траектории.

2 ноября 2015 года — съёмка плутино (15810) 1994 JR1, получившего в январе 2017 года название (15810) Араун, камерой LORRI с расстояния в 274 млн км.

4 ноября 2015 года — четвёртая коррекция траектории.

7—8 апреля 2016 года — ещё одна съёмка (15810) 1994 JR1 камерой LORRI с расстояния в 111 млн км (0,74 а.е.).

13—14 июля 2016 года — съёмка транснептунового объекта (50000) Квавар, галактик IC 1048 и UGC 09485.

25 октября 2016 года — завершена передача на Землю научных данных, собранных во время пролёта Плутона в июле 2015 года.

5 декабря 2017 года, находясь на расстоянии 6,12 млрд км (40,9 а. е.) от Земли, New Horizons 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).

9 декабря 2017 года — запуск двигателя для коррекции траектории и для увеличения скорости на 1,51 м/с.

Август 2018 года — «Новые горизонты» произвёл очередные измерения и обнаружил увеличение излучения в ультрафиолетовом диапазоне с противоположного Солнцу направления. Этот эффект может объясняться существованием окружающей Солнечную систему «водородной стены» — области уплотнения межзвёздного вещества на границе распространения солнечного ветра. Подобные наблюдения были сделаны и аппаратом Вояджер 30 лет назад.

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.

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

2 декабря 2018 года, находясь на расстоянии 6,48 млрд км от Земли, станция New Horizons в ходе 105-секундного включения двигателей обновила свой собственный рекорд по самой дальней коррекции курса в истории, изменив свою скорость на 1 м/c

Устройство аппарата:

Масса аппарата — 478 кг, включая 77 кг топлива. Размеры — 2,2?2,7?3,2 метра. Для запуска использовалась американская ракета-носитель «Атлас-5» в конфигурации «551» с установленным на ней российским двигателем РД-180, что было обусловлено необходимостью значительного ускорения аппарата и является наиболее тяжёлым вариантом этой ракеты из использованных на 2012 год.

Система телеметрии и управления:

Связь с космическим аппаратом осуществляется в X-диапазоне с помощью антенн — узконаправленной с высоким коэффициентом усиления, широконаправленной со средним коэффициентом усиления и парой всенаправленных. Со стороны Земли связь осуществляется при помощи антенн дальней космической связи, имеющих диаметр 70 метров и уже применявшихся для полётов за пределы орбиты Юпитера. Сигнал имеет круговую поляризацию. Узконаправленная антенна аппарата имеет диаметр 2,1 метра, выполнена по схеме Кассегрена, и обладает углом раскрытия 0,3 градуса и коэффициентом усиления 42 дБ. Широконаправленная антенна диаметром 0,3 метра и углом раскрытия 14 градусов крепится на обратной стороне вторичного рефлектора узконаправленной антенны. Пара всенаправленных антенн расположены с противоположных сторон космического аппарата. Одна из них находится поверх приёмника широконаправленной антенны, а вторая — внутри переходника крепления к ракете-носителю. Всенаправленные антенны использовались только на ранних фазах полёта в околоземном пространстве и могли бы помочь в аварийных ситуациях при потере ориентации. Исходящий сигнал усиливается 12-ваттной лампой бегущей волны, которая (вместе с запасной) установлена на корпусе космического аппарата под тарелкой узконаправленной антенны. Управление передающим устройством допускает одновременное использование обеих ламп, что позволяет практически удвоить скорость передачи данных на Землю. При этом поляризация сигнала будет двойной. Испытания такого способа передачи в начале полёта были признаны успешными и сейчас считаются рабочим вариантом (в том случае, если хватит запаса мощности системы электропитания). Система связи имеет избыточную конструкцию — большинство ключевых устройств в системе связи продублировано, и в случае выхода из строя основных устройств их работу примут на себя резервные. Система позволила передавать данные на Землю со скоростью 38 кбит/с (4,75 кбайт/с) в районе Юпитера — скорость, сравнимая со скоростью устаревшего модема. По достижении Плутона аппарат сможет передавать данные со скоростью 768 бит/с (96 байт в секунду); 1 мегабайт будет передаваться примерно 3 часа. Это крайне маленькая скорость, но и она позволит передать на Землю ценные научные данные и даже высококачественные фотографии. Помимо низкой скорости, дополнительным усложняющим фактором будет задержка сигнала, составляющая 4,5 часа в каждую сторону. Научная информация, полученная в результате наблюдений, будет передаваться не сразу — сначала она сохраняется в банках памяти бортового вычислительного комплекса. Это происходит отчасти потому, что скорость поступления такой информации существенно выше пропускной способности передатчика, а также и потому, что вся аппаратура в целях снижения массы аппарата смонтирована непосредственно на корпусе космического аппарата и требует для её нацеливания поворота всего аппарата. Такая компоновка позволяет сделать космический аппарат более лёгким. Подобный подход применяется не повсеместно — например, космические аппараты серии «Вояджер» имели поворотные платформы для научных приборов. Однако у «Вояджера-2» при пролёте Сатурна платформу заклинило, и в научную программу пришлось вносить изменения — для получения снимков Урана и Нептуна с должной выдержкой без эффектов размазывания пришлось поворачивать аппарат вслед за планетой. Точно такой же подход был применён и на «Новых горизонтах». Скорость передачи данных с расстояния в 4,5 млрд км составила не более 2000 бит/с (для сравнения, находящийся на расстоянии в 15 млрд километров от Земли зонд «Вояджер-2» передаёт данные со скоростью примерно 160 бит/с). После пролёта Плутона научные данные передавались более года, до октября 2016 года. На основе части данных был создан сжатый обзорный набор, полностью переданный за 40 дней.

Система энергообеспечения:

В качестве источника электроэнергии был взят радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ)

На старте его электрическая мощность составляла 250 Вт, и согласно прогнозам, она будет падать на 5 % каждые четыре года, что обеспечит мощность в 200 Вт в 2015 году, во время основного этапа всей исследовательской программы — пролёта системы Плутон—Харон. Это гораздо меньше мощности РИТЭГа «Вояджеров» (470 Вт на старте, 290 Вт в 2006 году); этим объясняется меньшая длительность программы, которую планируется завершить в 2020-х годах, когда аппарат пройдёт 50—55 а.е. За основу была взята существующая модель РИТЭГа «GPHS-RTG», которая уже использовалась в космических миссиях «Улисс», «Галилео», «Кассини-Гюйгенс». РИТЭГ содержит около 11 кг радиоактивного топлива в виде 72 таблеток оксида плутония-238. Интересна параллель: химический элемент плутоний был назван в честь небесного тела Плутона, изучение которого и является целью АМС «Новые горизонты». Каждая таблетка заключена в силовой корпус из иридия и поверх него покрыта оболочкой из графита. Особенностями этого изотопа являются высокое тепловыделение на единицу массы, а также радиоактивный распад, происходящий с испусканием только альфа-частиц, благодаря чему можно обойтись лёгкой радиационной защитой. Однако данный изотоп является побочным продуктом выработки оружейного плутония, производство которого остановлено и в США, и в России, что делает его крайне дефицитным материалом. РИТЭГ был разработан в Министерстве энергетики США в Комплексе материалов и топлив (ранее Западный Аргонн), являющемся подразделением Национальной лаборатории Айдахо в Бингеме. В 2002 году Министерство энергетики США было вынуждено перевести программу разработки батарей космических аппаратов из Огайо в Айдахо по соображениям безопасности. Из-за трудностей с финансированием и задержек в производстве генератор получился меньшей мощности, чем планировалось изначально. Это потребовало пересмотра научной программы миссии. На борту космического аппарата отсутствуют иные источники питания, вся энергия полностью вырабатывается РИТЭГом, периоды пиковых нагрузок покрываются батареями конденсаторов. Управление нагрузкой производится посредством блоков быстрых переключателей. Масса плутония, загруженного в РИТЭГ «Новых горизонтов», примерно втрое меньше, чем было в «Кассини-Гюйгенс». Тем не менее, этот проект вызвал протесты активистов. Министерство энергетики Соединённых Штатов оценило вероятность неудачного запуска, при котором произойдёт радиоактивный выброс в атмосферу, в 1 к 350. Считалось, что худший вариант полного рассеивания плутония распространит радиоактивное заражение, эквивалентное 80 % средней ежегодной дозы фонового излучения в Северной Америке, в окрестности с радиусом 105 км.

Бортовой вычислительный комплекс:

Бортовой вычислительный комплекс состоит из двух систем — системы обработки команд и данных и системы навигации и управления. Каждая из двух систем дублируется, что в сумме даёт четыре компьютера. Компьютеры построены на основе процессора Mongoose-V с архитектурой MIPS, который является радиационно-стойкой версией процессора R3000 и работает на частоте 12 МГц. Для хранения научной информации применены два банка флеш-памяти (основной и запасной) объёмом по 8 Гбайт. Платы компьютеров размещены в интегрированных электронных модулях, внутри которых поддерживается необходимый режим. Помимо плат компьютеров, там размещены платы прочей электроники — научных приборов и органов управления. Каждый модуль содержит в себе 9 плат. 19 марта 2007 года в компьютере системы обработки команд и данных произошёл некорректируемый сбой ячейки памяти, вследствие чего компьютер перезагрузился и перешёл в защищённый режим. Полное восстановление работоспособности заняло двое суток, при этом часть научных данных о магнитосфере Юпитера была утрачена. Данный сбой не повлиял на основную научную программу.

Система ориентации и стабилизации:

Космический зонд «Новые горизонты» не обладает достаточной мощностью бортового источника энергии, чтобы иметь возможность производить стабилизацию посредством маховиков. Поэтому задача ориентации и стабилизации полностью возложена на корректирующую двигательную установку. В качестве топлива для неё используется метилгидразин. Являясь монотопливом, метилгидразин обладает несколько худшими энергетическими характеристиками и требует определённой культуры исполнения системы для предотвращения преждевременного разложения, по сравнению с традиционными двухкомпонентными топливами. С другой стороны, двухкомпонентная система сложнее, в том числе из-за необходимости длительного хранения химически агрессивного высококипящего окислителя (например, азотной кислоты, тетраоксида диазота), хотя и была успешно реализована ранее в СССР и США (используется в настоящее время на космических кораблях «Союз», ранее использовалась, в частности, на космических кораблях «Аполлон» и в «Системе орбитального маневрирования» космических кораблей «Спейс шаттл»). В топливном баке космического аппарата можно было разместить до 90 кг метилгидразина, но в этом полёте было заправлено только 77 кг. Этого количества топлива достаточно, чтобы придать аппарату дополнительную скорость в 290 м/с. В качестве вытеснителя используется гелий. Запас основной программы исследования (то есть масса топлива, которая должна остаться после выполнения главной задачи — пролёта мимо Плутона) делится на основной и дополнительный запас и может быть использован для выполнения расширенной программы — пролёта мимо объекта из пояса Койпера. «Новые горизонты» имеет два режима стабилизации — обычный и высокоточный. В обычном режиме стабилизация двигателями производится по двум осям, а по третьей, направленной от Земли и проходящей через антенны, аппарат стабилизируется гироскопическим эффектом (вращение со скоростью пять оборотов в минуту). В высокоточном режиме стабилизация двигателями производится по всем трём осям. Высокоточный режим используется для проведения большинства научных исследований и требует большего расхода топлива. В обычном режиме стабилизации доступны наблюдения с помощью REX, SWAP, PEPSSI и VB-SDC.

Система обеспечения теплового режима:

Температура внутри космического аппарата поддерживается в диапазоне 10—30 °C. В начале полёта на стороне, обращённой к Солнцу, температура была выше, но не превышала 40 °C. Наименьшая допустимая температура составляет 0 °C и обусловлена температурой замерзания гидразинового топлива. Температурный режим поддерживается балансировкой электропитания и отработанного тепла РИТЭГа и потерь тепла через термоизоляцию, внешние части приборов и системы управления. Для поддержания температуры космический аппарат обёрнут в лёгкую многослойную термическую изоляцию, которая удерживает тепло от работающей электроники по принципу термоса.

Научные приборы:

На самом аппарате установлены следующие приборы:

Ультрафиолетовый спектрометр Alice, который изучал состав атмосферы и структуру поверхности Плутона. Разработан Юго-западным исследовательским институтом. Подобный прибор был подготовлен для АМС «Розетта» Европейского космического агентства;

Обзорная фотокамера Ralph, работающая в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн;

Камера LORRI (Long-Range Reconnaissance Imager) с разрешением в 5 микрорадиан для детальной съёмки и съёмки с большого расстояния, разработанная в APL;

Измеритель параметров частиц солнечного ветра SWAP (Solar Wind Analyzer for Pluto), разработанный в Юго-западном исследовательском институте. С его помощью определялось, есть ли у Плутона магнитосфера, а также устанавливалась скорость утечки его атмосферы;

Спектрометр энергетических частиц PEPSSI (Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation) для поиска нейтральных атомов, покидающих атмосферу Плутона и превращающихся в заряженные частицы при взаимодействии с солнечным ветром;

Детектор пыли VB-SDC (Venetia Burney Student Dust Counter) для измерения концентрации пылевых частиц в поясе Койпера. Прибор представляет собой веерообразное устройство радиусом 42 см и толщиной 3 мм из алюминиевого сотового материала, покрытого тонкой плёнкой, соединённое кабелем с блоком электроники;

Радиоспектрометр REX (англ. Radio EXperiment), объединённый с основной антенной зонда (с его помощью исследовалась структура атмосферы Плутона, тепловые свойства его поверхности и измерялась масса Плутона, Харона, также возможно исследование ещё не выбранных объектов пояса Койпера).

Будущее аппарата:

Алан Стерн заявил о возможности третьего пролёта 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.

Интересные факты:

Оптическая камера АМС, LORRI, была использована для изучения фонового света неба после выхода АМС на окраины Солнечной системы (появилась возможность собрать данные, когда зонд был в 42–45 раз дальше от Солнца, чем Земля); был обнаружен очень слабый, но вполне различимый фоновый сигнал, пока необъяснимый.

«Новые горизонты» покинул окрестности Земли с самой большой из всех космических аппаратов скоростью. В момент выключения двигателей она составила по разным источникам от 16,21 до 16,26 км/с относительно Земли. Гелиоцентрическая скорость составила около 45 км/с и была достаточной для выхода за пределы Солнечной системы даже без дополнительного разгона, который «Новые горизонты» получили за счёт гравитационного манёвра около Юпитера в 2007 году. Тем не менее, в настоящее время гелиоцентрическая скорость «Новых горизонтов» уступает скоростям обоих «Вояджеров», план полёта которых включал второй разгонный гравитационный манёвр в окрестностях Сатурна

Помимо научного оборудования, на борту космического аппарата установлена капсула с частью праха астронома Клайда Томбо, первооткрывателя Плутона, компакт-диск с 434 738 именами людей, участвовавших в акции НАСА «Отправьте своё имя на Плутон» (Send Your Name to Pluto), две монеты, два флага США, фрагмент первого обитаемого частного космического аппарата SpaceShipOne, компакт-диск с фотографиями аппарата и его разработчиков, почтовая марка США 1990 года «Pluto: Not Yet Explored».

---

Михаил Суворков ©2021-2023