АМС «Розетта»

Розетта

Пролёт зонда «Розетта» близ кометы

«Розетта» (Rosetta) — автоматическая межпланетная станция, предназначенная для исследования кометы. Разработана и изготовлена Европейским космическим агентством в сотрудничестве с NASA. Состоит из двух частей: собственно зонда «Розетта» (Rosetta space probe) и спускаемого аппарата «Филы» (Philae lander).

Космический аппарат запущен 2 марта 2004 года к комете 67P/Чурюмова — Герасименко. «Розетта» — первый космический аппарат, который вышел на орбиту кометы. В рамках программы 12 ноября 2014 года произошла первая в мире мягкая посадка спускаемого аппарата на поверхность кометы. Основной зонд «Розетта» завершил свой полёт 30 сентября 2016 года, совершив жёсткую посадку на комету 67P/Чурюмова — Герасименко.

Происхождение названий

Название зонда происходит от знаменитого Розеттского камня — каменной плиты с выбитыми на ней тремя идентичными по смыслу текстами, два из которых написаны на древнеегипетском языке (один — иероглифами, другой — демотическим письмом), а третий написан на древнегреческом языке. Сравнивая тексты Розеттского камня, Жан-Франсуа Шампольон смог расшифровать древнеегипетские иероглифы; с помощью космического аппарата «Розетта» ученые надеются узнать, как выглядела Солнечная система до того, как сформировались планеты.

Название спускаемого аппарата также связано с расшифровкой древнеегипетских надписей. На острове Филы на реке Нил был найден обелиск с иероглифической надписью, упоминающей царя Птолемея VIII и цариц Клеопатру II и Клеопатру III. Надпись, в которой ученые распознали имена «Птолемей» и «Клеопатра», помогла расшифровать древнеегипетские иероглифы.

Предпосылки создания аппарата

В 1986 году в истории исследования космического пространства произошло знаменательное событие: на минимальное расстояние к Земле подошла комета Галлея. Её исследовали космические аппараты разных стран: это и советские «Вега-1» и «Вега-2», и японские «Суйсэй» и «Сакигакэ», и европейский зонд «Джотто». Учёные получили ценнейшую информацию о составе и происхождении комет.

Однако осталось нераскрытым множество вопросов, поэтому НАСА и ЕКА начали совместную работу над новыми космическими исследованиями. НАСА сосредотачивало усилия над программой пролёта астероида и встречи с кометой (Comet Rendezvous Asteroid Flyby, сокращённо CRAF). ЕКА разрабатывало программу возвращения образца ядра кометы (Comet Nucleus Sample Return — CNSR), которая должна была осуществляться после программы CRAF. Новые космические аппараты планировалось сделать на стандартной платформе Mariner Mark II, что сильно сокращало расходы. В 1992 году, однако, НАСА прекратило разработку CRAFиз-за бюджетных ограничений. ЕКА продолжило разработку КА самостоятельно. К 1993 году стало ясно, что с существующим бюджетом ЕКА полёт к комете с последующим возвращением образцов грунта невозможен, поэтому программу аппарата подвергли большим изменениям. Окончательно она выглядела так: сближение аппарата сначала с астероидами, а потом с кометой, а затем — исследования кометы, в том числе мягкая посадка спускаемого аппарата «Филы». Завершить миссию планировалось контролируемым столкновением зонда «Розетта» с кометой.

Цель и программа полёта

Изначально запуск «Розетты» был запланирован на 12 января 2003 года. Целью исследований была выбрана комета 46P/Виртанена.

Однако в декабре 2002 года произошёл отказ двигателя Вулкан-2 при запуске ракеты-носителя «Ариан-5». В связи с необходимостью усовершенствования двигателя запуск космического аппарата «Розетта» был отложен, после чего для него была разработана новая программа полёта.

Новый план предусматривал полёт к комете 67P/Чурюмова — Герасименко, со стартом 26 февраля 2004 года и встречей с кометой в 2014 году. Отсрочка запуска вызвала дополнительные затраты около 70 миллионов евро на хранение космического аппарата и другие нужды. «Розетта» была запущена 2 марта 2004 года в 7:17 UTC с космодрома Куру во Французской Гвиане. В качестве почётных гостей на запуске присутствовали первооткрыватели кометы профессор Киевского университета Клим Чурюмов и научный сотрудник Института астрофизики Академии наук Таджикистана Светлана Герасименко. Кроме изменения времени и цели, программа полёта практически не изменилась. Как и прежде, «Розетта» должна была приблизиться к комете и запустить к ней спускаемый аппарат «Филы».

«Филы» должен был подойти к комете с относительной скоростью около 1 м/с и при контакте с поверхностью выпустить два гарпуна, так как слабая гравитация кометы не способна удержать аппарат, и он может просто отскочить. После посадки модуля «Филы» было запланировано начало выполнения научной программы:

  • определение параметров ядра кометы;
  • исследование химического состава;
  • изучение изменения активности кометы со временем.

Стоит заметить, что программа полёта «Розетты» весьма сложна. Она включала четыре гравитационных манёвра около Земли и Марса, причём даже небольшие отклонения могли повлиять на успех.

Программа полёта
722px-Trajectoire-Rosetta.svg[1]

1 — март 2004: запуск КА 2 — март 2005: первый пролёт у Земли 3 — февраль 2007: пролёт у Марса 4 — ноябрь 2007: второй пролёт у Земли 5 — сентябрь 2008: сближение с астероидом Штейнс 6 — ноябрь 2009: третий пролёт у Земли 7 — июль 2010: сближение с астероидом Лютеция 8 — июль 2011: перевод КА в режим сна 9 — январь 2014: пробуждение КА 10 — август 2014: выход на орбиту кометы 11 — ноябрь 2014: посадка спускаемого аппарата на поверхность кометы 12 — сентябрь 2016: завершение миссии

  • Запуск (март 2004)
  • Первый пролёт мимо Земли (март 2005);
  • Пролёт мимо Марса (февраль 2007);
  • Второй пролёт мимо Земли (ноябрь 2007);
  • Встреча с астероидом Штейнс (5 сентября 2008);
  • Третий пролёт мимо Земли (13 ноября 2009);
  • Встреча с астероидом Лютеция (10 июля 2010);
  • Бездействие (май 2011 — январь 2014);
  • Приближение к комете Чурюмова — Герасименко (январь — май 2014);
  • Картографирование кометы (август 2014);
  • Посадка спускаемого аппарата «Филы» (12 ноября 2014);
  • Исследование кометы (ноябрь 2014 — декабрь 2015);
  • Прохождение перигелия (август 2015);
  • Контролируемое столкновение зонда «Розетта» с кометой (30 сентября 2016).

Конструкция

«Розетта» была собрана в чистой комнате в соответствии с требованиями COSPAR. Стерилизация была не так важна, так как кометы не рассматриваются в качестве объектов, где можно найти живые микроорганизмы, зато на них надеются найти молекулы-предшественники жизни.

Электрическую энергию аппарат получает от двух солнечных батарей общей площадью 64 м² и мощностью 1500 Вт (400 Вт в спящем режиме), контролируемых энергетическим модулем производства компании Terma, который также используется в проекте «Марс-экспресс».

Главная двигательная установка состоит из 24 двухкомпонентных двигателей с тягой в 10 Н. Аппарат имел на старте 1670 кг двухкомпонентного топлива, состоящего из монометилгидразина (горючего) и тетраоксида азота(окислителя).

Корпус из ячеистого алюминия и разводку электрического питания по борту изготовила финская компания Patria. Финский метеорологический институт изготовил приборы зонда и спускаемого аппарата: COSIMA, MIP (Mutual Impedance Probe), LAP (Langmuir Probe), ICA (Ion Composition Analyzer), прибор поиска воды (Permittivity Probe) и модули памяти (CDMS/MEM).

Научное оборудование спускаемого аппарата

Общая масса спускаемого аппарата — 100 кг. Полезная нагрузка массой 26,7 кг состоит из десяти научных приборов. Спускаемый аппарат спроектирован для в общей сложности 10 экспериментов по изучению структурных, морфологических, микробиологических и других свойств ядра кометы. Основу аналитической лаборатории спускаемого аппарата составляют пиролизёры, газовый хроматограф и масс-спектрометр.

Пиролизёры

Для исследования химического и изотопного состава ядра кометы «Филы» оборудован двумя платиновыми пиролизёрами. Первый может разогревать образцы до температуры 180 °C, а второй — до 800 °C. Образцы могут разогреваться с контролируемой скоростью. На каждом шаге при повышении температуры анализируется суммарный объём выделившихся газов.

Газовый хроматограф

Основным инструментом разделения продуктов пиролиза является газовый хроматограф. В качестве газа-носителя используется гелий. В аппарате используется несколько различных хроматографических колонок, способных анализировать различные смеси органических и неорганических веществ.

Масс-спектрометр

Для анализа и идентификации газообразных продуктов пиролиза используется масс-спектрометр с время-пролётным (time of flying — TOF) детектором.

Список исследовательских приборов по цели 

Ядро

  • ALICE (An Ultraviolet Imaging Spectrometer).
  • OSIRIS (Optical, Spectroscopic, and Infrared Remote Imaging System).
  • VIRTIS (Visible and Infrared Thermal Imaging Spectrometer).
  • MIRO (Microwave Instrument for the Rosetta Orbiter).

Газ и пыль

  • ROSINA (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis).
  • MIDAS (Micro-Imaging Dust Analysis System).
  • COSIMA (Cometary Secondary Ion Mass Analyser).

Влияние Солнца

  • GIADA (Grain Impact Analyser and Dust Accumulator).
  • RPC (Rosetta Plasma Consortium).

Интересные события миссии

  • 25 февраля 2007 года «Розетта» пролетала вблизи Марса. Во время пролёта спускаемый аппарат «Филы» впервые работал в автономном режиме, с питанием от собственных аккумуляторов. Приборами спускаемого аппарата с расстояния в 1000 км была проведена съёмка планеты, получены данные о магнитном поле Марса.
  • 8 ноября 2007 года Каталинский небесный обзор обнаруживает «астероид» 2007 VN84, который, вероятно, способен столкнуться с Землёй. Астроном Денис Денисенко первым сообщил, что тревога ложная: это всего лишь «Розетта» готовится к гравитационному манёвру близ Земли.
  • 4 августа 2008 года астероид Штейнс попал в зону видимости космического аппарата. 14 августа 2008 года была произведена коррекция траектории полёта, что обеспечило 5 сентября пролёт в 800 км от астероида Штейнс. 6 сентября «Розетта» передала снимки астероида с близкого расстояния. На его поверхности обнаружены 23 кратера диаметром более 200 метров. Узкоугольная камера NAC (Narrow-Angle Camera) переключилась в безопасный режим за несколько минут до сближения, и съёмка была проведена широкоугольной камерой WAC (Wide-Angle Camera), что существенно ухудшило разрешение снимков.
  • Вечером 10 июля 2010 года космический аппарат сблизился с астероидом Лютеция. «Розетта» сделала множество снимков астероида. Все желающие могли увидеть астероид в прямом эфире на специальной странице в Интернете.
  • 20 января 2014 года в 10:00 по UTC (11:00 CET) «Розетта» «проснулась» от внутреннего таймера. Сигнал от аппарата был принят в 18:17 UTC (19:17 CET). Началась подготовка к встрече с кометой Чурюмова — Герасименко.
Comet_67P розетта

Фотография кометы 67P/Чурюмова — Герасименко, сделанная при помощи камеры NAVCAM аппарата «Розетта»

  • 15 ноября «Филы» переключился в режим энергосбережения (все научные приборы и большинство бортовых систем выключены) из-за исчерпания заряда батарей на борту (контакт потерян в 00:36 UTC). Освещённость солнечных батарей (и, соответственно, вырабатываемая ими мощность) была слишком мала для зарядки аккумуляторов и выполнения сеансов связи с аппаратом. По предположению ученых, по мере приближения кометы к Солнцу количество вырабатываемой энергии должно было возрасти до величин, достаточных для включения аппарата — такое развитие событий было учтено при проектировании аппарата.
  • 13 июня 2015 года «Филы» вышел из режима пониженного энергопотребления, была установлена связь с аппаратом.
  • 9 июля связь с «Филы» прекратилась из-за исчерпания запасов энергии в аккумуляторах аппарата. Солнечные батареи больше не смогли выработать достаточное количество электроэнергии для подзарядки, так как Филы прикометился в тени.
  • 30 сентября 2016 года — зонд «Розетта» был направлен на столкновение с кометой Чурюмова — Герасименко, и на скорости 3 км/ч столкнулся с ней. Это была контролируемая жёсткая посадка аппарата на поверхность в районе «колодцев» — местных гейзеров. Во время снижения, которое продолжалось 14 часов, аппарат передавал на землю фотографии и результаты анализов газовых потоков. Таким образом завершилась программа исследования кометы стоимостью 1,4 млрд евро.

Научные результаты

10 декабря 2014 в онлайн-выпуске журнала Science опубликована статья 67P/Churyumov-Gerasimenko, a Jupiter family comet with a high D/H ratio («67P/Чурюмова — Герасименко, комета семейства Юпитера с высоким соотношением D/H»), в которой было отмечено более высокое по сравнению с земными океанами содержание тяжёлой воды во льду кометы — более чем в три раза. Этот результат противоречит принятой теории, что вода Земли имеет кометное происхождение.

23 января 2015 журнал «Science» опубликовал специальный выпуск научных исследований, связанных с кометой. Исследователи обнаружили, что основной объём выделяемых кометой газов приходится на «шею» — область соединения двух частей кометы: здесь камеры OSIRIS постоянно фиксировали поток газа и обломков. Члены научной команды системы получения изображений OSIRIS установили, что область Хапи, расположенная в перемычке между двумя крупными долями кометы и демонстрирующая высокую активность как источник газопылевых струй, отражает красный свет менее эффективно, чем другие области, что может указывать на присутствие замороженной воды на поверхности кометы или неглубоко под её поверхностью.

По материалам Wikipedia