Кассини на орбите Сатурна
  • Фото: NASA

Прощай, “Кассини”! История космического путешествия длиной почти в 8 миллиардов километров

О космической миссии, которая два раза была под угрозой срыва, но благодаря здравому смыслу и рассудку американских чиновников все же состоялась.

15 сентября 2017 года орбитальный аппарат “Кассини” — один из грандиознейших примеров совместной работы международной группы ученых — закончит свою миссию по изучению Сатурна и его системы. Примерно в 15:00 по МСК зонд войдет в верхние слои атмосферы газового гиганта, распадется на мелкие части и сгорит, словно метеор. Однако до самого конца “Кассини” попытается удерживать свою антенну направленной на Землю, чтобы передавать “домой” последние данные о внутреннем мире «властелина колец».

За почти 20 лет работы в космосе межпланетная станция совершила множество открытий. Благодаря “Кассини” мы поняли, как сформировались и из чего состоят кольца Сатурна (по сути, аппарат подтвердил гипотезу американского ученого Ларри Эспозито, который говорил, что кольца состоят из ледяных кусков разрушенных мелких спутников планеты), узнали о наличии у газового гиганта атмосферного феномена — необычного шестиугольника, узнали о существовании гроз, полярных вихрей; аппарат помог обнаружить на спутнике этой гигантской планеты — Энцеладе — океан жидкой воды, спрятанный под слоем толстого льда, а также объяснить причину “двуликости” другого спутника Сатуна — Япета (одно из его полушарий блестит как снег, другое черное словно покрыто копотью).

Кольца Сатурна и его спутники

Фото: NASA/ Снимок главных колец Сатурна и его спутников Дионы (в диаметре 1123 км) и Эпиметея (в поперечнике 113 км). Кольца планеты и ее луна намного ярче любой звезды

Без преувеличения скажем, что “Кассини” полностью изменил наше представление об облике Сатурна и об устройстве его спутников. Цитируя Джима Грина, главу планетарных исследований NASA, хочется отметить, что продолжая традиции великих космических исследователей, этот научный аппарат проложил новый путь, показав нам новые чудеса и то, куда в ближайшем будущем нас может завести наше любопытство.

Как начиналась миссия “Кассини-Гюйгенс”

В конце 1970-х — начале 1980-х три аппарата NASA (Pioneer-11, Voyager-1, Voyager-2) пролетели мимо Сатурна и передали в центр управления полетами космического агентства серию снимков этой планеты и ее спутников, сделанных с относительно близкого расстояния. Ученые впервые смогли разглядеть кольца газового гиганта. Выяснилось, что они состоят из сотен тысяч маленьких кусочков неизвестного происхождения и самого разного диаметра, а некоторые из колец каким-то необъяснимым образом даже переплетаются! Что еще поразило ученых, так это спутник газового гиганта Титан. Он значительно отличался от того представления о нем, которое ранее существовало в головах ученых. Это был холодный мир, превосходящий по своим размерам Меркурий, с очень плотной атмосферой, настолько плотной, что ни один из трех зондов так и не сумел разглядеть его поверхность.

Полученные данные только подогрели интерес астрономов к “властелину колец” и его спутникам. В 1982 году была создана рабочая группа, в которую вошли представители NASA и ESF (Европейский фонд науки), по планированию программы следующей после Вояджеров “флагманской” миссии. На заседании группы было принято решение построить совместными усилиями космический аппарат для исследования Сатурна и его системы.

Кассини в испытательной лаборатории

Фото: NASA/ «Кассини» готовят к вибрационным и температурным испытаниям в вакуумной камере в Лаборатории реактивного движения NASA. Снимок от 31 января 1997 года

По замыслу ученых, аппарат должен был состоять из двух частей: орбитальной станции “Кассини” (названа в честь французского астронома Джованни Кассини, который в 1665 году открыл четыре спутника Сатурна: Япет, Диону, Тефию, Рею) и спускаемого модуля “Гюйгенс” (назван в честь нидерландского астронома Христиана Гюйгенса, открывшего Титан и кольца Сатурна), предназначенного для посадки на Титан. Стоимость проекта оценивалась в $2,5 млрд, но затем выросла почти до $ 3,6 млрд. Большую часть средств, около $3 млрд, внесло NASA.

Так проект «Кассини-Гюйгенс» стал одним из самых дорогих в истории NASA и одним из первых, в котором приняли участие не только специалисты из США, но и их коллеги из ESA (Европейское космическое агентство) и ASI (Итальянское космическое ведомство).

В 1984 году начались работы по созданию системы “Кассини-Гюйгенс”, а в 1992 и 1994 возникли первые проблемы. Миссия оказалась под угрозой срыва, конгресс США не хотел выделять дополнительные деньги на разработку исследовательского аппарата. Но первой американской женщине-астронавту Салли Райд, обладавшей в то время огромным влиянием, и ее коллегам удалось убедить конгрессменов, и средства поступили в бюджет NASA.

Сборка спускаемого модуля Гюйгенс

Фото: European Space Agency/ Сборка спускаемого модуля «Гюйгенс»

Через три года, в 1997-м, на космодроме на мысе Канаверал во Флориде уже стояла ракета-носитель Titan IVB, готовая вывести на орбиту один из самых больших когда-либо построенных людьми исследовательских аппаратов.

Конструкция аппарата

Космический исследователь, чья миссия — раскрыть величие Сатурна, происхождение, состав его колец и природу спутников, представляет собой аппарат высотой 10 метров и весом около 6 тонн на момент старта (половину веса занимало топливо). Он оснащен 18 научными приборами и камерами (12 установлено на станции и 6 на спускаемом модуле), способными выполнять точные измерения в любых атмосферных условиях и фотографировать в различных спектрах света.

Орбитальная станция “Кассини” с помощью специальных фильтров может “видеть” Сатурн и его спутники на тех длинах волн, которые недоступны для человеческого глаза (такие фильтры помогают специалистам узнать, как именно атмосфера планеты отражает и поглощает определенные длины волн солнечного света). Кроме того, установленные на борту станции инструменты могут “чувствовать” магнитные поля и крошечные пылевые частицы, которые человек никогда не ощутит.

Научные приборы Кассини

Фото: galspace.spb.ru/ Конструкция «Кассини»

Связь.Станция может передавать данные и принимать информацию через четырехметровую антенну высокого усиления (HGA), либо, в случае чрезвычайной ситуации, через одну из двух антенн низкого усиления(LGA). Все три инструмента разработаны Итальянским космическим агентством.

Основная антенна (HGA) также используется как прибор для работы с радиосигналами, проходящими через атмосферу Титана, Сатурна и кольца планеты. Эти сигналы изучают для того, чтобы определить размер частиц колец и атмосферное давление газового гиганта.

Двигатели.На станции установлено два комплекта реактивных двигателей: два основных — для выхода на расчетную траекторию, и 16 запасных малой тяги — для ориентации зонда, малых маневров и коррекции орбиты. Лишь 1% времени в пути до Сатурна посланник Земли провел с включенными двигателями.

Генераторы.Во время создания “Кассини” было принято решение, что работать станция будет не на энергии Солнца (из-за удаленности Сатурна от нашей звезды солнечные панели малоэффективны), а на основе радиоактивного плутония-238. Для этого были разработаны три радиоизотопных термоэлектрических генератора, в которых помещалось 32 кг радиоактивного плутония. Специалисты посчитали, что такого запаса топлива должно хватить до конца миссии для маневров, торможения, выхода на орбиты, обеспечения энергией приборов.

Приборы прямого и дистанционного зондирования.Эти инструменты представляют собой различные спектрометры и радары, которые могут делать замеры с большого расстояния. Они измеряют:

— электрические заряды частиц;
— плазму и солнечный ветер в магнитосфере планеты;
— направление, размер и скорость движения пылинок, находящихся рядом с газовым гигантом;
— инфракрасные волны, исходящие от космических тел, чтобы узнать температуру и состав этих объектов;

а также:

— исследуют молекулы ионосферы Сатурна;
— сканируют поверхность спутников газового гиганта и моделируют карты этой поверхности, измеряют высоту гор и каньонов на ней при помощи радиосигналов.

Магнитометр.На станции установлена специальная штанга, которая может выдвигаться вперед на 11 метров. Это магнитометр. Предназначен он для измерения магнитного поля вокруг Сатурна и составления 3-D карты магнитосферы планеты.

Компьютер.Все научные инструменты, установленные на станции, снабжены собственными микрокомпьютерами. Основной компьютер — GVSC 1750A, разработанный компанией IBM, застрахован от ошибок и сбоев многоступенчатой системой защиты.

Система ориентации. Как и древние моряки, космический зонд ориентируется по звездам. В память датчиков станции команда NASA заложила звездную карту из пяти тысяч звезд. Ориентация в космическом пространстве происходит следующим образом: каждую секунду датчики делают не менее десяти широкоугольных снимков звездного неба, сравнивают их с картой, заложенной в памяти, и определяют расположение аппарата в космическом пространстве. Информация о движении станции обновляется с частотой 100 раз в секунду.

Спускаемый модуль “Гюйгенс” — детище Европейского космического агентства. Он представлял собой аппарат шириной 2,7 метров и весом около 320 килограммов с толстой защитной оболочкой, которая спасала его от перегрева во время спуска на Титан.

Научные приборы Гюйгенса

Фото: galspace.spb.ru/ Размещение научных приборов на «Гюйгенсе»

“Гюйгенс” был собран из двух частей: защитного модуля и спускаемого модуля. Защитный модуль состоял из оборудования, отвечающего за отделение от “Кассини” и теплозащитного экрана, предотвращающего перегрев при входе в атмосферу Титана. Спускаемый модуль был оборудован тремя парашютами, отвечающими за спуск, и серией научных приборов:

HASI — инструмент для измерения атмосферы. Прибор был оборудован специальными датчиками, которые в момент спуска “Гюйгенса” измеряли физические и электрические свойства атмосферы Титана;

DWE — прибор для измерения скорости ветра на поверхности спутника Сатурна;

DISR — прибор для измерения радиационного баланса (или дисбаланса) толстой атмосферы Титана;

GCMS — прибор представлял собой универсальный газовый химический анализатор, который идентифицировал и измерял химические вещества в атмосфере Титана;

ACP — инструмент предназначался для анализа аэрозольных частиц, извлеченных из атмосферы Титана;

SSP — комплект датчиков, предназначенных для определения физических свойств поверхности Титана в месте спуска. Эти датчики определяли, была поверхность твердой или жидкой.

Путь к Сатурну

Миссия «Кассини-Гюйгенс» была запущена 15 октября 1997 года. Чтобы вывести на орбиту столь тяжелый аппарат, напомним, его вес составлял около 6 тонн, специалисты использовали одну из мощнейших в то время ракет-носителей Titan IVB.

Чтобы придать посланнику Земли требуемое направление полета и необходимую стартовую скорость, между ракетой и зондом был поставлен дополнительный разгонный блок “Центавр”.

Вместо прямого маршрута к Сатурну (в этом случае в аппарат необходимо было бы “залить” 68 тонн дополнительного топлива — ноша, с которой не справится ни одна ракета в мире), было принято решение проложить для станции более сложный путь: c двумя гравитационными маневрами около Венеры в 1998 и 1999 годах, одним у Земли в августе 1999 года и еще одним у Юпитера в 2000 году. Каждый маневр дал “Кассини” дополнительное ускорение (за счет собственного движения планеты и гравитационного притяжения), что позволило аппарату добраться до Сатурна с практически нулевым расходом топлива. Единственный минус такого способа передвижения — время, используя гравитационный маневр, ученые потеряли, в среднем, около четырех лет, но это незначительная цена, учитывая важность миссии.

Практически весь путь до Сатурна “Кассини” провел с выключенными приборами, они “просыпались” лишь когда аппарат пролетал рядом с планетами или их спутниками, чтобы запечатлеть эти объекты. Во время гравитационного маневра возле Юпитера зонд сделал порядка 30 000 фотографий этой планеты.

Ганимед и Юпитер

Фото: NASA/ Юпитер и его спутник Ганимед. Снимок сделан «Кассини» 3 декабря 2000 года

В январе 2004 года команда NASA постепенно начала выводить аппарат из “спячки”, включая все больше и больше инструментов. По мере приближения к Сатурну, “Кассини” делал потрясающие снимки планеты. Взору камер представал величественный Сатурн, тень которого ровно ложилась на кольца планеты. Таким “властелина колец” земляне еще не видели никогда.

Феба - спутник Сатурна

Фото: NASA/ Спутник Сатурна Феба. Снимок сделан «Кассини» в 2004 году. Незадолго до выхода аппарата на сатурнианскую орбиту, «Кассини» прошел в непосредственной близости (в 2 068 км) от внешнего спутника — Фебы. Возможность встречи с ней подарила сама природа за счет удобного положения этой маленькой луны на момент подлета. Феба весьма необычный спутник. Орбита ее сильно вытянута, да еще и вращение происходит в противоположную сторону по отношению к другим сатурнианцам. Видимо, мы имеем здесь дело с захваченным гравитационным полем планеты-гиганта астероидом или ядром кометы. Снимки Фебы, переданные «Кассини» на 3емлю, оказались сенсационными. На них предстало астероидоподобное тело неправильной формы, диаметром чуть больше 200 километров, усеянное кратерами всевозможных размеров, в том числе и гигантских, до 50 километров в поперечнике

“Кассини” добрался до места назначения 1 июля 2004 года. Аппарат проскочил между двумя тонкими внешними кольцами F и G, и станция начала тормозить, включился один из основных ее двигателей, который проработал около 100 минут, потратив лишь 850 кг топлива. Во время торможения “Кассини” был развернут таким образом, что его главная антенна служила своего рода защитой для хрупких приборов аппарата от крошечных частичек пыли. Было зафиксировано порядка 100 тысяч попаданий в корпус станции, но, к счастью, серьезных столкновений не произошло, и аппаратура осталась неповрежденной.

Первое фото Сатурна, присланное Кассини

Фото: NASA/ Холодный, темный Сатурн, его кольца и 5 ледяных лун. Изображение получено узкоугольной камерой 9 ноября 2003 года с расстояния 111 400 000 км. Разрешение снимка 668 км на пиксель. С такого расстояния стали проявляться особенности структуры колец Сатурна

Когда двигатель замолк, стало ясно, что мечта ученых сбылась — аппарат оказался на орбите Сатурна целым и невредимым. Семилетнее путешествие к газовому гиганту закончилось, и станция приступила к исследованию планеты и ее спутников.

Титан и спуск модуля “Гюйгенс”

“Кассини” не был первым аппаратом посетившим планетарную систему Сатурн (до него это сделали Pioneer-11 и Voyagers), но был первым, кто должен был в ней остаться. Именно поэтому станция несла с собой уникальное оборудование — спускаемый модуль “Гюйгенс”. Он должен был приземлиться на самом крупном спутнике Сатурна Титане и провести серию исследований.

Первое знакомство «Кассини» с Титаном произошло на следующий день после выхода аппарата на орбиту Сатурна. Это был нулевой пролет на расстоянии почти 400 000 км от спутника, своего рода “разведка местности” перед отделением “Гюйгенса”. Правда, съемку Титана “Кассини” начал еще в мае, когда станция только подлетала к “Властелину колец”. Фотографирование в инфракрасном диапазоне позволило выявить на покрытом завесой плотных облаков спутнике некоторые детали рельефа. Однако понять, что же представляют собой светлые и темные пятна на снимках у ученых не получалось. Невозможно было даже различить, где возвышенности, а где впадины.

Атмосфера Титана

Фото: NASA/ Верхние слои атмосферы Титана. В ходе пролета «Кассини» над самым большим спутником Сатурна были получены доказательства меняющихся погодных условий на Титане. Снимок от 17 декабря 2004 года

Еще одна, на этот раз более близкая встреча с гигантским спутником состоялась в октябре, когда «Кассини» заканчивал первый виток вокруг Сатурна. Это сближение стало более результативным. Аппарат приблизился к Титану на расстояние 1200 км, это в 300 раз ближе, чем при первом “знакомстве” с объектом. Фотографии, сделанные в высоком разрешении, просто завораживали. Титан предстал перед учеными во всей красе. Впервые специалисты увидели, что находится под завесой его плотной атмосферы. На фото проступали детали рельефа, пятна размером с континент, напоминающие гладь моря с заливами и островами. Этот регион получил название Ксанаду, его происхождение и география до сих пор остается загадкой.

Ксанаду - регион на Титане

Фото: NASA/ Фото Титана, на котором отчетливо можно увидеть большую яркую континентообразную область Ксанаду. Снимок был сделан 17 декабря 2004 года через специальный фильтр с центром 938 нм (ближний ИК-диапазон), что позволило выявить детали поверхности Титана

Именно в этом районе со сложным рельефом и должен был приземлиться “Гюйгенс”. Чтобы осуществить посадку модуля, «Кассини» снова необходимо было подойти к Титану, на этот раз на расстояние чуть более 2 000 километров. 25 декабря “Гюйгенс” был “отстрелен” от “Кассини”, а 15 января “сел” на поверхность самого большого спутника Сатурна.

Спускаемый модуль стал первым рукотворным объектом, совершившим мягкую посадку во внешней Солнечной системе.
Во время спуска, который занял 21 день, рельеф местности начал распознаваться лишь на высоте 74 км, и когда были получены первые снимки, сделанные модулем в час посадки, ученые очень удивились. Например, на фото они обнаружили темные дренажные каналы, говорящие о том, что в них когда-то текли метановые реки. Было выяснено, что на Титане есть большие моря, правда, только на полюсах.

Зонд Гюйгенс приземляется на Титан

Фото: NASA/ Снимок удаляющегося «Гюйгенса», сделанный через 12 часов после его отделения от «Кассини»

Первый снимок поверхности Титана, после приземления Гюйгенса

Фото: NASA/ Первый необработанный снимок поверхности Титана, после приземления Гюйгенса. Справа изображена поверхность с камнями, состоящими из загрязненного льда. Верхнее левое фото было сделано во время спуска «Гюйгенса» с высоты 16,2 км. На снимке изображены темные дренажные каналы, говорящие о том, что в них когда-то текли метановые реки. На нижнем левом снимке показана береговая линия (светлая часть местности — суша) с высоты 8 километров. Фото сделаны 15 января 2005 года

Также модуль смог записать звуки ветра на Титане, благодаря установленному на его борту микрофону.

В общей сложности, “Гюйгенс” передал “Кассини” более 500 мегабайт информации, к сожалению, большая часть данных была утрачена из-за сбоя в компьютерной системе.

Модуль проработал на поверхности Титана 72 минуты 13 секунд — именно столько времени “Кассини” принимал сигналы от “Гюйгенса”, затем орбитальная станция скрылась за горизонт, и сигналы прекратили поступать.

Энцелад

Во время своей миссии “Кассини” смог изучить шестой по величине спутник Сатурна — Энцелад, привлекший внимание ученых из-за удивительных гейзеров, выбрасываемые вещества которых стали основным материалом для кольца Сатурна E. Эти струи появляются из так называемых криовулканов, выбрасывающих воду и летучие вещества вместо лавы. “Кассини” определил более 100 таких гейзеров, которые ежесекундно выбрасывают в космос 200 кг воды. Часть ее оседает на поверхность Энцелада в виде снега, а часть “вливается” в кольцо E. Эти гейзеры показывают, что Энцелад — геологически активный мир, подогреваемый изнутри. Раз на глубине происходит нагрев и есть лед на поверхности, значит, спутник должен обладать залежами воды, которая может находиться в подповерхностном океане и иметь глубину в пару десятков километров.

Струи воды на Энцеладе

Фото: NASA/ Снимок гейзеров Энцелада, сделанный во время пролета 2 ноября 2009 года

Гейзеры на Энцеладе

Фото: NASA/ Гейзеры на Энцеладе, извергающие воду и летучие вещества вместо лавы. Снимок от 23 февраля 2010 года

Наличие океана воды под поверхностью может значить, что у Энцелада есть все необходимое для зарождения жизни.

Другие открытия “Кассини”

В 2010 году руководство NASA объявило, что не смотря на то, что срок службы аппарата практически вышел, он продолжит свою работу на орбите Сатурна еще семь лет, до 2017 года. За это время станция сделала немало открытий.

1. Кассини собрал массу полезных данных о Титане. Он определил местоположение залежей углеводородов, выяснил, что погода на Титане временная, и что большая часть его поверхности состоит из замерзшей воды. “Кассини” помог ученым понять, что Титан — весьма интересный для исследований мир с разреженной атмосферой, залежами жидкого метана и, вероятно, с наличием жидкой воды.

2. На других спутниках Сатурна Дионе и Рее автоматическая станция нашла тектонические образования — обрывы и ледяные хребты. “Кассини” так же обнаружил на этих двух спутниках разреженную атмосферу, состоящую из углекислого газа и кислорода.

3. Межпланетная станция помогла ученым объяснить эффект “двуликости” Япета — третьего по размеру спутника Сатурна и открыла на его поверхности необычный горный хребет более 13 км высотой и 20 км шириной, опоясывающий спутник почти на 1300 км.

Темное вещество на Япете

Фото: NASA/ Загадочное темное вещество на Япете

Стена на Япете

Фото: NASA/ На мозаике четко виден экваториальный хребет, протяженность которого составляет около 1300 км

Этот спутник долго не давал астрономам покоя. Ученые пытались понять причины, по которым один полюс Япета бывает черным, а другой белым. “Кассини” приоткрыл завесу тайны. Оказалось, такие различия в окраске обусловлены пылью. Метеориты, которые падают на поверхность далеких спутников Сатурна, “выбивают” ее оттуда, и она оседает на ведущем полушарии Япета, то есть на том полушарии, которым он движется вперед по орбите. Покрытые пылью участки нагреваются сильнее, чем соседние регионы, и лед с них испаряется и конденсируется там, где температура поверхности ниже: на ведомой стороне и в околополярных областях.

Грандиозный финал “Кассини”

Команда NASA подготовила весьма захватывающий конец для миссии “Кассини”. После 20 лет службы аппарат сгорит в атмосфере Сатурна. Произойдет это, по расчетам ученых, 15 сентября 2017 года. Такой финал выбран специалистами преднамеренно. Дело в том, что когда “Кассини” выработает все свое топливо, его орбита будет становиться все менее и менее предсказуемой, а значит, появится риск, что зонд может столкнуться с одним из двух спутников гиганта — Энцеладом или Титаном, и занести на них живые организмы. А как мы знаем, эти два объекта представляют собой весьма активные геологические миры, которые могут обладать всеми необходимыми условиями для развития земной жизни.

Шестиугольник на Сатурне

Фото: NASA/ Атмосферный феномен на Сатурне — необычный шестиугольный вихрь на Северном полюсе. Снимок от 27 августа 2017 года

26 апреля 2017 года межпланетная станция начала выполнять серию из 22 витков между Сатурном и его кольцами, постепенно приближаясь к верхним слоям атмосферы газового гиганта. В час последнего облета аппарат окунется в Сатурн, попытавшись удержать антенну направленной на Землю, пока будет передавать свое последнее сообщение. Затем путешествие закончится, и “Кассини” станет частью газового гиганта: станция распадется на обломки и сгорит.

На момент написания этого материала, “Кассини” преодолел в общей сложности 7,9 миллиардов километров и успел передать 635 гигабайт данных.

Нашли ошибку? Пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник: saturn.jpl.nasa.gov, galspace.spb.ru, Alpha Centauri, kiri2ll.livejournal.com

1 комментарий

  1. кравченко

    интересно спасибо

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: