Миссия Новые Горизонты > Компоненты
Научно-исследовательская нагрузка станции Новые Горизонты состоит из семи инструментов. В их число входят три оптических прибора, два плазменных, датчик пыли и научный измерительный радиоприемник (радиометр). Эта полезная нагрузка была разработана для исследования геологического строения, состава и температуры поверхности, давления, температуры и скорости рассеивания атмосферы Плутона и его спутников.
Компоненты миссии Новые Горизонты
В случае одобрения расширенной миссии станции, эти инструменты будут использованы для исследования объектов Пояса Койпера, которых сможет достичь космический аппарат.
Полезная нагрузка является невероятно энергоэффективной. Все инструменты в совокупности потребляют менее 28 ватт. Применяется совершенно беспрецедентная в области исследования планет степень миниатюризации оборудования. Приборы разработаны специально для использования в условиях сверхнизких температур и плохой освещенности на Плутоне и в Поясе Койпера.
Alice
Масса: 4,5 кг (9,9 фунтов)
Средняя мощность: 4,4 Вт
Разработка: Юго-Западный научно-исследовательский институт
Ведущий исследователь: Алан Стерн из Юго-Западного научно-исследовательского института
Цель: Изучение состава и структуры атмосферы
Alice является чувствительным ультрафиолетовым отображающим спектрометром, предназначенным для исследования состава и структуры динамической атмосферы Плутона. Там, где обычный спектрометр подобно призме расщепляет свет на составляющие по длине волны, отображающий спектрометр одновременно разделяет свет на составляющие и создает изображение на каждой длине волны. Спектроскопический диапазон «Элис» включает экстремальное и дальнее ультрафиолетовое излучение с длиной волны в диапазоне 500–1800 Ангстрем.
Прибор способен находить различные важные химические вещества в атмосфере Плутона. Спектроскоп будет определять относительное содержание обнаруженных веществ, впервые показывая ученым полную картину состава атмосферы планеты. Alice задействуют для поисков ионосферы возле Плутона, а также атмосферы у его главного спутника Харона. Устройство также будет определять зависимость плотности и температуры атмосферы от высоты над поверхностью Плутона.
Alice состоит из спектрографа, компактного телескопа и высокочувствительного электронного детектора, имеющего по 1024 спектральных канала на каждом из 32 пространственных сегментов длинного прямоугольного поля обзора. Предусмотрено два режима работы. Режим «Свечение» позволяет измерять уровень ультрафиолетового излучения компонентов атмосферы. При режиме «Затемнение» происходит наблюдение Солнца или яркой звезды через атмосферу. Свойства атмосферных компонентов определяются путем измерения уровня поглощения ими солнечного излучения. Поглощение солнечного света атмосферой Плутона будет отображаться в виде характерных провалов или пиков в ультрафиолетовой части спектра. Подобный способ измерения достаточно мощный для изучения малейших следов атмосферного газа.
Облегченная и несколько упрощенная версия прибора Alice первого поколения установлена на борту космической станции Rosetta и используется для изучения поверхности комет и рассеивания их атмосфер.
Ralph
Масса: 10,3 кг (22,7 фунтов)
Средняя мощность: 6,3 Вт
Разработка: Болл Аэроспейс, Центр космических полетов NASA Годдард, Юго-Западный научно-исследовательский институт
Ведущий исследователь: Алан Стерн из Юго-Западного научно-исследовательского института
Цель: Изучение геологии и морфологии поверхности; получение сведений о составе поверхности и карты температуры поверхности
Ralph служит основными глазами Новых Горизонтов и занимается созданием карты Плутона, его спутников и в перспективе других объектов из Пояса Койпера за орбитой девятой планеты. Прибор в паре с ультрафиолетовым спектрометром составляет единый пакет дистанционного зондирования, вследствие чего и получил такое название (здесь содержится отсылка к популярному телесериалу «Новобрачные», главными персонажами которого являются молодожены Ральф и Элис).
Ralph состоит из трех высокочувствительных черно-белых панхроматических и четырех цветных мультиспектральных камер, конструктивно объединенных в блок MVIC (сокращение от Multispectral Visible Imaging Camera), а также спектрометра, работающего в инфракрасном диапазоне. Композиционный отображающий ИК-спектрометр называется LEISA (Linear Etalon Imaging Spectral Array) и работает в диапазоне волн длиной 1,25–2,50 микрон. Передовой миниатюрный коротковолновый ИК-спектрометр LEISA был разработан учеными Центра космических полетов Годдарда при NASA. Диапазон работы MVIC составляет 0,4–0,95 микрон.
Таким образом, «Ральф» состоит из восьми детекторов. Семь приборов с зарядовой связью (ПЗС) и один инфракрасный детектор запитаны от одного чувствительного увеличительного телескопа с разрешением в 10 раз выше, чем может увидеть глаз человека. Весь пакет потребляет в два раза меньше энергии, чем обычная бытовая электролампа.
Ральф будет принимать и обрабатывать изображения дважды в день, пока Новые Горизонты будут приближаться к Плутону, пролетать мимо него, а затем удаляться. В конечном счете, MVIC сможет создать карту рельефа Плутона в черно-белом либо цветном вариантах с разрешением порядка 820 футов или 250 метров на пиксель. Для определения топографии поверхности будут использоваться стереоизображения. Ученые также смогут измерить точные значения радиусов и орбит Плутона и его лун.
Блок камер также будет получать изображения ночной стороны Плутона, подсвеченные Хароном. Одновременно LEISA будет отображать количество азота, метана, окиси углерода, замерзшей воды и других материалов, включая органические соединения, на освещенной поверхности Плутона и спутников.
Прибор также позволит ученым составить карту температур поверхности Плутона и Харона посредством изучения спектра замороженных азота, воды и окиси углерода.
REX
Масса: 100 грамм (3,5 унции)
Средняя мощность: 2,1 Вт
Разработка: Лаборатория прикладной физики университета Джона Хопкинса, Стэнфордский университет
Основные исследователи: Лен Тайлер и Иван Линскотт, Стэнфордский университет
Цель: Измерение температуры и давления атмосферы вплоть до поверхности Плутона; измерение плотности ионосферы; поиск атмосферы вокруг Харона и других небесных тел
REX (расшифровывается как Radio Science Experiment) собран на небольшой высокотехнологичной печатной плате с цепями обработки сигналов, интегрированными в систему телекоммуникаций Новые Горизонты. Так как телекоммуникационная система является резервированной, на корабле имеются две копии REX. Обе могут работать одновременно, повышая устойчивость передачи данных.
Для исследования атмосферы Плутона будет использоваться техника сокрытия, или затемнения. Аналогичным образом запланировано выполнять поиски атмосферы вокруг Харона. После пролета станции над Плутоном, ее 2,1-метровая (83-дюймовая) спутниковую антенну развернут на Землю. На Земле мощные передатчики NASA начнут посылать пучки излучения вслед за космическим кораблем. Радиоволны станут изгибаться в атмосфере Плутона в соответствии со средним молекулярным весом атмосферного газа и величиной температуры атмосферы. Такой же способ будет примененим для поисков атмосферы Харона, наличие которой сегодня считается маловероятным.
Как правило, описанный тип эксперимента осуществляется космическими миссиями в обратном направлении: сигнал посылается со стороны корабля через атмосферу планеты на Землю. Такой радио-эксперимент называется «нисходящим» (Downlink). АМС Новые Горизонты будет первой, которая использует сигнал Земли. Это связано с очень большим расстоянием, настолько большим, что только стационарные земные радиостанции смогут обеспечить необходимую мощность сигнала. Новая технология проведения эксперимента называется «восходящей» (Uplink) и является значимым достижением.
REX также будет измерять слабые радиоизлучения от космических объектов, мимо которых будет пролетать станция (помимо Плутона это Юпитер и Харон). Ученые собираются использовать эти данные для получения точных значений температуры, как на дневной, так и ночной стороне небесных тел. Кроме того, с помощью REX можно будет отслеживать незначительные изменения в пути космического корабля, которые позволят измерить массу Плутона, Харона и вероятно некоторых иных объектов Пояса Койпера. Также REX даст возможность улучшить измерения радиусов для каждого тела по времени продолжительности радио покрытий Плутона и Харона.
LORRI
Масса: 8,8 кг (19,4 фунтов)
Средняя мощность: 5,8 Вт
Разработка: Лаборатория прикладной физики Университет Джонса Хопкинса
Ведущий исследователь: Энди Чэн, Лаборатория прикладной физики
Цель: Изучение геологии; обеспечение максимально высокого разрешения сближения и точки встречи
LORRI (сокращение от Long Range Reconnaissance Imager) – это поистине «орлиные глаза» Новых Горизонтов. Панхроматическая камера с высоким увеличением включает телескоп с размером апертуры 20,8 см (8,2 дюйма) и блок устройств с зарядовой связью. Фактически это цифровая камера с большим фото телескопом, только приспособленная работать во враждебных условиях окрестностей Плутона со сверхнизкими температурами.
Во время полета именно снимки LORRI будут первыми изображениями системы Плутона, снятыми станцией Новые Горизонты. Съемка начнется примерно за 180 дней до максимального сближения. Плутон со спутниками в этот момент будут выглядеть как яркие точки, однако эти первые снимки помогут навигаторам удержать корабль на курсе. Они также позволят усовершенствовать расчеты орбит Плутона и спутников. В середине мая, примерно за 60 дней до точки встречи, изображения LORRI превзойдут по качеству разрешения снимки телескопа Хаббл. Ученые смогут увидеть детали, которые еще никогда не были доступны человеческому глазу. В точке максимального сближения камера будет передавать изображение поверхности Плутона с разрешением половины футбольного поля – 50 метров в поперечнике.
Такое качество изображений обеспечит беспрецедентный взгляд на геологию Плутона и его лун. Ученые смогут определить количество и размер кратеров на поверхности каждого небесного тела, что откроет историю столкновений объектов в этом отдаленном от нас районе Солнечной системы. LORRI также предоставит важную информацию по истории поверхности Плутона, позволит искать активность на планете (например, гейзеры) и помутнения в атмосфере. В случае расширения миссии Новых Горизонтов именно LORRI обеспечит высокое разрешение изображений других объектов из Пояса Койпера.
В составе камеры нет цветовых фильтров или движущихся частей. Операторы принимают изображения, направляя оборудование непосредственно на цель. Надежную работу в условиях экстремально низких температур обеспечивает инновационная конструкция устройства зеркал, основанная на использовании карбида кремния.
SWAP
Масса: 3,3 кг (7,3 фунтов)
Средняя мощность: 2,3 Вт
Разработка: Юго-Западный научно-исследовательский институт
Ведущий исследователь: Дэвид Маккомас из Юго-Западного научно-исследовательского института
Цель: Изучение солнечного ветра и скорости утечки атмосферы Плутона
SWAP (сокращение от Solar Wind Around Pluto) предназначен для измерения взаимодействия Плутона с солнечным ветром (потоком заряженных частиц, истекающих из светила). Невероятно большое расстояние от Плутона до Солнца определяет высокие требования к инструменту измерений. SWAP имеет крупнейшую апертуру из всех приборов, когда-либо применявшихся для измерения параметров солнечного ветра.
Гравитация на Плутоне примерно в 16 раз меньше земной. На основании этого ученые рассчитали, что каждую секунду покидают атмосферу Плутона примерно 75 килограммов (165 фунтов) вещества. Атмосферные газы покидают планету в виде нейтральных молекул или атомов, ионизирующихся в верхних слоях под воздействием ультрафиолета солнечного ветра. Электрически заряженные ионы и электроны значительно легче уносятся этим солнечным ветром. В ходе данного процесса ионы и электроны приобретают энергию уровня тысяч электронвольт. Энергия приходит от солнечного ветра, который замедляется и закручивается вокруг Плутона.
SWAP измеряет низкоэнергетические взаимодействия, в частности вызванные солнечным ветром. Посредством измерения возмущений солнечного ветра прибор будет определять скорость утечки компонентов атмосферы Плутона.
В верхнем диапазоне энергий можно обнаружить ионы, имеющие энергию до 6,5 кэВ. SWAP сочетает в себе анализатор задерживающего потенциала с электростатическим анализатором. Это позволяет выполнять очень тонкие и точные измерения энергии солнечного ветра. Станция Новые Горизонты может определять мгновенные изменения солнечного ветра. Знание количества вещества, покидающего пределы Плутона, обеспечивает понимание структуры и плотности атмосферы планеты.
PEPSSI
Масса: 1,5 кг (3,3 фунтов)
Средняя мощность: 2,5 Вт
Разработка: Лаборатория прикладной физики Университета Джонса Хопкинса
Ведущий исследователь: Ральф Макнатт младший, Лаборатория прикладной физики
Цель: Изучение плотности, состава и характера энергичных частиц и плазмы, образующейся в результате утечки атмосферы Плутона
PEPSSI (сокращение от Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation) является самым компактным и наименее мощным направленным спектрометром энергичных частиц среди всех применявшихся ранее в составе космических миссий. Прибор будет осуществлять поиск нейтральных атомов, оставляющих атмосферу Плутона, заряжаясь при взаимодействии с частицами солнечного ветра. Таким образом, можно обнаружить покидающий атмосферу материал. Это может быть молекулярный азот, метан, окись углерода. При покидании атмосферы они могут распадаться в результате поглощения ультрафиолета и под воздействием ионов, перемещающихся с солнечным ветром.
Первые тесты будут получены за миллионы миль от Плутона. Зная расстояние до планеты, ученые смогут даже на такой большой дистанции получать важную информацию о скорости утечки вещества атмосферы и ее составе.
PEPSSI работает по классическому принципу измерения времени пролета частиц. Прибор измеряет промежуток времени между столкновениями и на основании этого определяет скорость частиц, попадающих в камеру детектора, а также их массу и энергию. Этого достаточно для ученых, чтобы получить полную картину о составе каждой частицы. PEPSSI может измерять поведение частиц с энергией до 1000 кэВ. Это на порядки больше, чем способен измерить SWAP. Оба прибора превосходно дополняют друг друга и позволяют ученым эффективно изучать параметры атмосферы Плутона и солнечного ветра.
SDC
Масса: 1,9 кг (4,2 фунтов)
Средняя мощность: 5 Вт
Разработка: Лаборатория космической и атмосферной физики из Университета Колорадо, Боулдер
Ведущий исследователь: Михай Гораньи, Университет Колорадо, Боулдер
Цель: Измерение концентрации частиц пыли во внешней области Солнечной системы
SDC (Venetia Burney Student Dust Counter) – это счетчик пыли, разработанный и построенный студентами из Университета Колорадо. Прибор способен находить микроскопические зерна пыли, возникающие вследствие столкновений астероидов, комет и объектов Пояса Койпера. SDC был создан в ходе официального агитационно-образовательного проекта и стал первым научным инструментом на планетарной миссии NASA, спроектированным и созданным студентами. Устройство считает и измеряет размеры частиц пыли, сообщая тем самым информацию о темпах столкновения объектов внешней Солнечной системы. Прибор также будет использоваться для поиска пыли в окрестностях Плутона.
SDC включает две основные части: устанавливаемый на внешней стороне корабля детектор пыли (в сборке размером 12 на 18 дюймов) и электронный блок внутри космической станции. При попадании пыли на детектор внутренний блок производит все необходимые вычисления, определяя массу и скорость частицы. Детекторы пыли никогда ранее не отправлялись в такие далекие путешествия (1,7 млрд миль от Солнца, или 18 астрономических единиц). Поэтому данные измерений посредством SDC дадут возможность ученым взглянуть на источники возникновения и переноса пыли в Солнечной системе с принципиально новых позиций.
При поддержке факультета студенты Университета Колорадо распространяют и архивируют данные, получаемые от прибора в ходе миссии. Созданный ими детектор получил свое название в июне 2006 года в честь Венеции Берни, которая в 1930 году в возрасте 11 лет предложила имя «Плутон» недавно открытой девятой планете.
