12 августа в космос будет запущен новейший космический зонд NASA — Parker Solar Probe (русс. Солнечный зонд Паркер, также известный как PSP, Solar Probe или Solar Probe Plus), который на протяжении почти семи лет будет исследовать Солнце. Аппарат имеет уникальную конструкцию, что позволит ему в перигелии сближаться с нашей звездой на рекордные 6 млн км! Меркурий, к примеру, в перигелии сближается с Солнцем лишь на 46 млн км. Но как аппарат будет выдерживать такие адские условия? Какое оборудование на нём установлено? Чьи имена были записаны на специальном носителе, помещённом в PSP?
Parker Solar Probe. Иллюстрация Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory.
Логотип миссии. Credit: NASA/APL.
Своё название зонд получил в честь американского астрофизика Юджина Ньюмена Паркера, предсказавшего в 1958 году существование солнечного ветра. Кстати, это первый космический аппарат NASA, названный в честь ещё живого человека.
Юджин Ньюмен Паркер.
Задачи Parker Solar Probe
Аппарат должен будет исследовать солнечную корону и фотосферу, магнитные поля нашей звезды и солнечный ветер, а также гелиосферу.
Возможно, что именно с помощью Parker Solar Probe учёные смогут найти ответ на загадку нагрева солнечной короны. Сейчас существует много предположений относительно необычно высокой температуры в короне по сравнению с хромосферой и фотосферой, но объясняющей это явление общепринятой версии нет. Будем надеяться, что аппарат поставит точку в этом вопросе.
Солнечная корона, запечатлённая во время полного солнечного затмения 11 августа 1999 года. Credit: Luc Viatour.
Запуск
Запуск будет произведён с мыса Канаверал, стартовая площадка — SLC-37. Ракета-носитель — Delta IV Heavy, причём с дополнительной твердотопливной третьей ступенью (разгонным блоком) Star-48BV.
Ракета-носитель Delta IV Heavy с Parker Solar Probe. Credit: ULA/NASA/APL.
Проект прошёл достаточно тернистый путь. Аппарат, по сути, могли бы запустить и ранее, однако имелись проблемы с финансированием. Когда начались активные работы над проектом, то запуск был запланирован на 2015 год, но в дальнейшем NASA перенесло запуск на лето этого года. А совсем недавно была определена окончательная дата пуска — 11 августа. 65-минутное стартовое окно для запуска открылось в 08:33 по UTC (3:33 по местному или 10:33 по мск.). Однако запуск не состоялся по техническим причинам и был перенесён на 24 часа.
Запуск осуществляет компания United Launch Alliance (ULA), которой и принадлежит ракета-носитель Delta IV Heavy.
Parker Solar Probe покидает Землю. Компьютерная иллюстрация. Credit: NASA/APL.
Использование ракеты тяжёлого класса с разгонным блоком необходимо из-за запуска аппарата на целевую гелиоцентрическую орбиту.
Особенности орбиты аппарата
Parker Solar Probe, как уже говорилось выше, будет исследовать Солнце. Стоит отметить, что люди уже запустили немало космических аппаратов для этого, однако PSP отличается от них своей орбитой. Зонд будет двигаться по эллипсу с относительно большим эксцентриситетом, т. е. он будет постоянно то приближаться к нашей звезде, то удаляться от неё. И приближаться к Солнцу он будет очень близко: на расстояние до 6 миллионов километров. Но эта дистанция будет достигнута не сразу, а период обращения вокруг Солнца будет постепенно уменьшаться благодаря гравитационным манёврам вокруг Венеры.
Анимация движения Parker Solar Probe. На схеме: Земля, Венера, Меркурий, Parker Solar Probe, Солнце. Credit: NASA/APL.
Уже 28 сентября произойдёт первое сближение Parker Solar Probe с Венерой, при этом орбитальный период аппарата будет равняться 150 дням, что составляет 2/3 от орбитального периода Венеры (224,7). Следующее сближение произойдёт уже в декабре 2019 года, орбитальный период уменьшится до 130 дней. В течение нескольких лет произойдёт ещё пять сближений с Венерой, что уменьшит период вращения зонда вокруг Солнца до 88 дней. Орбита PSP всё ещё будет являться эллипсом, однако значения и перигелия, и афелия уменьшатся. Именно тогда аппарат и будет сближаться с Солнцем на расстояние немногим более шести миллионов километров (это ≈8,5 радиусов Солнца, RS); аппарат, по сути, будет уже находиться в солнечной короне. На такой орбите в афелии аппарат будет удаляться от Солнца примерно на 120 миллионов километров. Первоначально же расстояние от звезды до PSP в перигелии будет равняться 24,5 миллионам километров (≈35 RS), а в афелии оно будет почти приближаться к одной астрономической единице (149,6 млн км).
Вся траектория движения Parker Solar Probe вокруг Солнца. На рисунке хорошо заметно изменение орбиты аппарата. Credit: NASA/APL.
Видимый размер Солнца с Земли (справа) и с зонда в перигелии (слева). Credit: NASA/APL.
Движение по такой эллиптической орбите необходимо из-за ограничений техники и особенностей запуска. Parker Solar Probe, несмотря на все технические решения, не сможет постоянно находиться на расстоянии 6-7 миллионов километров от Солнца, да и переход на такую орбиту требует очень много топлива.
Зонд, проходя перигелий, будет двигаться со скоростью около 200 км/с относительно Солнца. Это будет самый быстрый объект, построенный когда-либо людьми.
График, показывающий скорость движения аппарата относительно Солнца (Velocity) и дистанцию от него (Distance). Credit: NASA/APL.
Планируется, что всего Parker Solar Probe сделает 24 оборота вокруг нашей звезды.
Конструкция аппарата
Parker Solar Probe имеет следующие размеры: 1.0 м × 3.0 м × 2.3 м. Сухая масса — 555 кг, масса на старте — 685 кг. Источник питания — солнечные батареи, мощность аппарата — 343 Вт в перигелии.
Зонд был построен Лабораторией прикладной физики (англ. Applied Physics Laboratory, APL), которая расположена в городе Лорел (штат Мэриленд, США).
Полностью собранный зонд. Credit: NASA/APL.
Важнейший элемент Parker Solar Probe — система тепловой защиты (англ. thermal protection system, TPS), которая представлена специальным щитом. Аппарат всегда будет ориентирован им к Солнцу. Если же Parker Solar Probe эту ориентацию потеряет в своём перигелии, к примеру, то он очень быстро выйдет из строя, несмотря на возможность работать в широком температурном диапазоне.
TPS. Тот самый щит. Credit: NASA/APL.
Работа щита основана на абляционной защите, использующейся в космических аппаратах для предотвращения их перегревания при входе в атмосферу. Эта защита основана на уносе (сублимации) вещества с поверхности твёрдого тела при его сильном нагреве. Отлетают только самые быстрые молекулы, что и обеспечивает охлаждение.
Щит имеет шестиугольную форму с шириной 2,4 м и толщиной 11,4 см, изготовлен из специального углеродного волокна. Этот щит способен выдерживать нагрев до температуры в 1377 °C (1650К)! А вот аппарат под ним, как показывают расчёты, даже не будет нагреваться выше нескольких десятков градусов Цельсия.
Однако не все части зонда будут спрятаны за щитом. Аппарату необходимо получать каким-то образом энергию. Специально для этого будут использоваться особые солнечные батареи, которые частично могут «прятаться» за тенью щита. Полностью они будут раскрыты на расстоянии более 0,25 а.е. (37,4 млн км) и автоматически скроются в тени щита, когда PSP будет подлетать близко к Солнцу. Но небольшая их часть будет всё-таки «выглядывать» из-под щита. Площадь этой части мала, но её хватает для энергообеспечения зонда: на таком расстоянии от Солнца эффективность солнечных батарей выше в 25-30 раз, нежели чем на орбите Земли. Но сразу возникает хороший вопрос: как охлаждать их? Для этого инженеры создали особую конструкцию самих панелей и установили специальную жидкостную систему охлаждения, причём её теплоноситель — вода. Вода под большим давлением (чтобы предотвратить кипение) поступает по специальным трубкам в солнечные батареи, где она быстро нагревается, «забирая» тепловую энергию. Эта вода химически очень чистая, ведь наличие солей в ней может привести к повреждению системы. Кстати, сама система включает в себя двухскоростные насосы и четыре радиатора из титановых труб с алюминиевыми ребрами толщиной в 0,5 мм. Непосредственно сами солнечные батареи находятся под специальной стеклянной крышкой, а на дне каждой ячейки имеется спаянный с ней керамический держатель с керамической подложкой. Такая конструкция защищает солнечные батареи от повреждений.
Инженерам, кстати, пришлось проработать и… систему подогрева воды. Аппарат не всегда будет находиться близко к Солнцу. И когда PSP будет в афелии, да ещё и в тени своего щита, то вода начнёт замерзать, разрывая трубы системы охлаждения. Понятное дело, особых проблем с этой задачей у конструкторов не было.
Из-под щита также будут выглядывать некоторые специальные антенны.
С помощью зонда проведут несколько важных научных исследований. Для этого на Parker Solar Probe установили специальное оборудование, которое тоже приспособлено для работы в жёстких условиях.
Расположение основных частей Parker Solar Probe. Credit: NASA/APL.
Расположение основных частей Parker Solar Probe. Credit: NASA/APL.
Блок FIELDS предназначен для изучения электромагнитного поля (с определением его вектора Пойнтинга) и радиоволн в солнечной короне, а также для исследования плазмы (в том числе и с определением электронной температуры). Состоит из специальных антенн, сенсоров и магнитометров.
FIELDS. Credit: NASA/APL.
Блок IS☉IS предназначен для исследования электронов, протонов и тяжёлых ионов. Состоит из двух приборов: EPI-Hi и EPI-Lo.
IS☉IS. Credit: NASA/APL.
Устройство EPI-Lo во время сборки. Credit: NASA/APL.
Блок SWEAR тоже предназначен для исследования потока электронов, протонов и ионов гелия; он будет измерять скорость этих потоков, их плотность и температуру. Имеет в составе следующие приборы: SPAN-A+, SPAN-B и SPC.
SPAN-A+. Компьютерная модель. Credit: NASA/APL.
SPAN-B. Компьютерная модель. Credit: NASA/APL.
SPC. Компьютерная модель. Credit: NASA/APL.
На Parker Solar Probe ещё установлены специальные коронографы WISPR. Они получат изображения солнечной короны, будут исследовать внутреннюю часть гелиосферы.
WISPR. Компьютерная модель строения прибора. Credit: NASA/APL.
Система связи и автономность работы
Parker Solar Probe будет одним из самых автономных космических аппаратов, созданных людьми.
Очень долгие промежутки времени зонд не сможет поддерживать связь с Землёй, получать команды и передать результаты своей деятельности. Решение этой проблемы кроется в обеспечении высокой автономности зонда. Для этого было разработано и испытано специальное программное обеспечение (ПО) для бортовой вычислительной системы Parker Solar Probe. Аппарат, благодаря такому ПО, сможет самостоятельно собирать научные данные, регулировать свою работу, орбиту, ориентацию.
Связь с аппаратом обеспечивается в Ka- и X-диапазонах.
«Отправь своё имя к Солнцу!»
Любой человек, имеющий доступ к сети Интернет, мог записать своё имя на специальном информационном носителе, который был установлен на борт Parker Solar Probe. Для этого мероприятия был создан специальный сайт, где до 27 апреля этого года можно было зарегистрировать своё имя. После выдавался шуточный «билет на Солнце». Его можно было скачать в формате pdf. Всего в этой акции приняли участие 1 137 202 миллиона человек по всему миру.
Интересно то, что информационный носитель — microSD.
Мемориальная табличка с носителем имён. На табличке написано: «Миссия Parker Solar Probe посвящена др. Юджину Н. Паркеру, чей глубокий вклад [в науку] коренным образом изменил наше понимание о Солнце и о солнечном ветре. “Посмотрим, что нас ждёт впереди” Джин Паркер, июль 2017». Credit: NASA/APL.
Примеры шуточных «билетов на Солнце».
Это отнюдь не первая такая акция NASA. К примеру, такой вот сбор имён производился перед запуском зонда InSight к Марсу. Цель у всех этих акций одна — это стимулирование интереса обычных людей к исследованию космоса.
Стоимость проекта
Parker Solar Probe является одним из самых дорогих автоматических проектов NASA. Общая стоимость миссии превышает значение в 750 млн долларов. Но что ещё можно ожидать от такого сложного и уникального проекта?
Специалисты, устанавливающие Parker Solar Probe в головной обтекать. Видна одна из створок. Кадр с трансляции NASA. Credit: NASA.
Будем надеяться, что запуск зонда пройдёт успешно, ведь его работа поможет нам узнать очень многое о нашей родной звезде.
Первоисточник статьи
0
