Галилей был американским роботизированным космическим зондом , который изучал планету Юпитер и ее спутники , а также астероиды Гаспра и Ида . Названный в честь итальянского астронома Галилео Галилея , он состоял из орбитального аппарата и входного зонда. Он был доставлен на околоземную орбиту 18 октября 1989 года космическим кораблем «Атлантис» во время STS-34 . Галилей прибыл к Юпитеру 7 декабря 1995 года после гравитационного облета Венеры и Земли и стал первым космическим кораблем, вышедшим на орбиту внешней планеты. [4]
Лаборатория реактивного движения построила космический корабль «Галилео» и руководила программой «Галилео» для НАСА . Двигательную установку поставила западногерманская компания Messerschmitt-Bölkow-Blohm . Исследовательский центр Эймса НАСА управлял атмосферным зондом, построенным компанией Hughes Aircraft Company . На момент запуска орбитальный аппарат и зонд вместе имели массу 2562 кг (5648 фунтов) и высоту 6,15 м (20,2 фута).
Космический корабль обычно стабилизируется либо за счет вращения вокруг фиксированной оси, либо за счет поддержания фиксированной ориентации относительно Солнца и звезды. Галилей сделал и то, и другое. Одна секция космического корабля вращалась со скоростью 3 оборота в минуту, обеспечивая стабильность Галилео и вмещая шесть инструментов, которые собирали данные со многих разных направлений, включая инструменты полей и частиц.
«Галилей» был намеренно уничтожен в атмосфере Юпитера 21 сентября 2003 года. Следующим орбитальным аппаратом, отправленным к Юпитеру, была « Юнона» , прибывшая 5 июля 2016 года.
Юпитер — самая большая планета Солнечной системы , ее масса более чем в два раза превышает массу всех остальных планет вместе взятых. [5] Рассмотрение возможности отправки зонда к Юпитеру началось еще в 1959 году. [6] Научная консультативная группа НАСА (SAG) для миссий за пределами Солнечной системы рассмотрела требования к орбитальным аппаратам Юпитера и атмосферным зондам. В нем отмечалось, что технология создания теплового экрана для атмосферного зонда еще не существует, а средства для его испытания в условиях Юпитера не будут доступны до 1980 года. [7] Руководство НАСА назначило Лабораторию реактивного движения (JPL) в качестве ведущего центра проекта орбитального зонда Юпитера (JOP). [8] JOP станет пятым космическим кораблем, который посетит Юпитер, но первым выйдет на его орбиту, а зонд первым войдет в его атмосферу. [9]
Важным решением, принятым в то время, было использование для орбитального аппарата Юпитера космического корабля программы «Маринер», подобного тому, который использовался для «Вояджера», а не «Пионера». «Пионер» стабилизировался за счет вращения космического корабля со скоростью 60 об/мин , что давало обзор на 360 градусов и не требовало системы ориентации. Напротив, у «Маринера» была система ориентации с тремя гироскопами и двумя наборами по шесть азотных реактивных двигателей. Положение определялось относительно Солнца и Канопуса , которые контролировались с помощью двух основных и четырех вторичных датчиков. Имелся также инерциальный блок отсчета и акселерометр . Это позволило ему делать изображения с высоким разрешением, но за эту функциональность пришлось заплатить увеличенным весом. Mariner весил 722 килограмма (1592 фунта) по сравнению со всего 146 килограммами (322 фунта) Pioneer. [10]
Джон Р. Казани , возглавлявший проекты «Маринер» и «Вояджер», стал первым руководителем проекта. [11] Он запросил предложения по более вдохновляющему названию проекта, и большинство голосов было отдано «Галилею» в честь Галилео Галилея , первого человека, увидевшего Юпитер в телескоп. Его открытие в 1610 году того, что сейчас известно как галилеевы спутники , вращающиеся вокруг Юпитера, стало важным доказательством коперниканской модели Солнечной системы. Также было отмечено, что это название космического корабля из телешоу «Звездный путь» . Новое название было принято в феврале 1978 года. [12]
Лаборатория реактивного движения построила космический корабль «Галилео» и руководила миссией «Галилео» для НАСА. Двигательную установку поставила западногерманская компания Messerschmitt-Bölkow-Blohm . Исследовательский центр Эймса НАСА управлял атмосферным зондом, построенным компанией Hughes Aircraft Company . [2] При запуске орбитальный аппарат и зонд вместе имели массу 2562 кг (5648 фунтов) и высоту 6,15 м (20,2 фута). [2] Космический корабль обычно стабилизируется либо путем вращения вокруг фиксированной оси, либо путем поддержания фиксированной ориентации относительно Солнца и звезды; Галилей сделал и то, и другое. Одна секция космического корабля вращалась со скоростью 3 оборота в минуту , обеспечивая стабильность Галилео и вмещая шесть инструментов, которые собирали данные с разных направлений, включая инструменты полей и частиц. [13] Вернувшись на землю, оперативная группа миссии использовала программное обеспечение, содержащее 650 000 строк кода, в процессе проектирования последовательности орбиты; 1 615 000 строк в интерпретации телеметрии; и 550 000 строк кода в навигации. [2] Все компоненты и запасные части космического корабля прошли не менее 2000 часов испытаний. Ожидалось, что космический корабль прослужит не менее пяти лет — достаточно, чтобы достичь Юпитера и выполнить свою миссию. [14]
19 декабря 1985 года он покинул Лабораторию реактивного движения в Пасадене, штат Калифорния , и совершил первый этап своего путешествия - поездку в Космический центр Кеннеди во Флориде . [14] [15] Из-за катастрофы космического корабля «Челленджер» дата запуска в мае не была соблюдена. [16] Миссия была перенесена на 12 октября 1989 года. Космический корабль «Галилео» будет запущен миссией STS-34 на космическом корабле «Атлантис» . [17] По мере приближения даты запуска «Галилео» антиядерные группы были обеспокоены тем, что они считали неприемлемым риском для общественной безопасности от плутония в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РТГ) и источнике тепла общего назначения (GPHS) « Галилео ». ) модулей, добивался судебного запрета на запуск «Галилео » . [18] РИТЭГи были необходимы для зондов в дальнем космосе, потому что им приходилось летать на таких расстояниях от Солнца, что делало использование солнечной энергии непрактичным. [19]
Запуск задерживался еще дважды: из-за неисправности контроллера главного двигателя, что вынудило перенести его на 17 октября, а затем из-за ненастной погоды, которая потребовала переноса на следующий день, [20] но это не вызывало беспокойства, поскольку окно запуска было продлено. до 21 ноября. [21] Атлантида наконец стартовала в 16:53:40 UTC 18 октября и вышла на орбиту длиной 343 километра (213 миль). [20] Галилео был успешно развернут в 00:15 UTC 19 октября. [16] После сгорания IUS космический корабль Galileo принял свою конфигурацию для одиночного полета и отделился от IUS в 01:06:53 UTC 19 октября. [22] Запуск прошел идеально, и вскоре Галилей направился к Венере со скоростью более 14 000 км/ч (9 000 миль в час). [23] Атлантида благополучно вернулась на Землю 23 октября. [20]
Подсистема CDH имела активное резервирование, при этом постоянно работали две параллельные системные шины данных . [24] Каждая системная шина данных (также известная как строка) состояла из одинаковых функциональных элементов, состоящих из мультиплексоров (MUX), модулей высокого уровня (HLM), модулей низкого уровня (LLM), преобразователей мощности (ПК), объемной памяти. (BUM), объемная память подсистемы управления данными (DBUM), временные цепи (TC), системы фазовой автоподстройки частоты (PLL), кодеры Голея (GC), аппаратные декодеры команд (HCD) и критические контроллеры (CRC). [25]
Подсистема CDH отвечала за поддержание следующих функций:
Космический корабль управлялся шестью микропроцессорными процессорами RCA 1802 COSMAC : четырьмя на стороне вращения и двумя на стороне вращения. Каждый процессор имел тактовую частоту около 1,6 МГц и был изготовлен из сапфира ( кремний на сапфире ), который представляет собой радиационно- и статически закаленный материал, идеально подходящий для эксплуатации космических кораблей. Этот 8-битный микропроцессор был первым процессором CMOS с низким энергопотреблением, похожим на 6502 , который в то время встраивался в настольный компьютер Apple II . [27]
Система контроля ориентации и сочленения Galileo (AACSE) управлялась двумя бортовыми компьютерами Itek Advanced Technology (ATAC), построенными с использованием радиационно-стойких компьютеров 2901 . AACSE можно было перепрограммировать в полете, отправив новую программу через подсистему командования и данных. [28] Программное обеспечение системы управления ориентацией было написано на языке программирования HAL/S , [29] который также использовался в программе «Спейс Шаттл» . [30]
Емкость памяти, обеспечиваемая каждым BUM, составляла 16 КБ ОЗУ , а каждый DBUM обеспечивал 8 КБ ОЗУ. В подсистеме CDH было два BUM и два DBUM, и все они находились на вращающейся стороне космического корабля. BUM и DBUM обеспечивают хранение последовательностей и содержат различные буферы для данных телеметрии и связи между шинами. Каждый HLM и LLM были построены на базе одного микропроцессора 1802 и 32 КБ ОЗУ (для HLM) или 16 КБ ОЗУ (для LLM). Два HLM и два LLM находились на раскрученной стороне, а два LLM находились на раскрученной стороне. Таким образом, общий объем памяти, доступный подсистеме CDH, составил 176 КБ ОЗУ: 144 КБ выделено на стороне вращения и 32 КБ на стороне вывода. [31] Каждый СВУ отвечал за следующие функции:
Каждый LLM отвечал за следующие функции:
Подсистема двигательной установки состояла из главного двигателя мощностью 400 Н (90 фунтов силы) и двенадцати подруливающих устройств мощностью 10 Н (2,2 фунта силы), а также топливного бака, баков для хранения и повышения давления, а также соответствующей сантехники. Подруливающие устройства 10 Н были установлены группами по шесть штук на двух 2-метровых (6,6 фута) стрелах. Топливом для системы служило 925 кг (2039 фунтов) монометилгидразина и четырехокиси азота . В двух отдельных баках содержалось еще 7 кг (15 фунтов) гелия , работающего под давлением. Подсистема двигательной установки была разработана и построена компанией Messerschmitt-Bölkow-Blohm и предоставлена Западной Германией, основным международным партнером в проекте «Галилео» . [27]
В то время солнечные панели были непрактичны на расстоянии Юпитера от Солнца; космическому кораблю потребовалось бы минимум 65 квадратных метров (700 квадратных футов) панелей. Химические батареи также будут непомерно большими из-за технологических ограничений. Решением стали два радиоизотопных термоэлектрических генератора (РТГ), которые питали космический корабль за счет радиоактивного распада плутония-238 . Тепло, выделяемое при этом распаде, было преобразовано в электричество посредством твердотельного эффекта Зеебека . Это обеспечило надежный и долговечный источник электроэнергии, не подверженный влиянию холодной окружающей среды и полей с высоким уровнем радиации в системе Юпитера. [27] [32]
Каждый GPHS-RTG , установленный на стреле длиной 5 метров (16 футов), нес 7,8 кг (17 фунтов) 238 Pu . Каждый РИТЭГ содержал 18 отдельных модулей источников тепла, и каждый модуль заключал в себе четыре таблетки оксида плутония(IV) — керамического материала , устойчивого к разрушению. [32] Плутоний был обогащен примерно до 83,5 процентов плутония-238. [33] Модули были спроектированы так, чтобы выдержать ряд потенциальных аварий: взрыв или возгорание ракеты-носителя, повторный вход в атмосферу с последующим столкновением с землей или водой, а также ситуации после столкновения. Внешнее покрытие из графита обеспечивало защиту от структурных, термических и эрозионных сред потенциального возвращения в атмосферу Земли. Дополнительные графитовые компоненты обеспечивали защиту от ударов, а иридиевая оболочка РИТЭГов обеспечивала защиту после удара. [32] Ритэги производили около 570 Вт при запуске. Выходная мощность первоначально уменьшалась со скоростью 0,6 Вт в месяц и составила 493 Вт, когда Галилей достиг Юпитера. [3]
У космического корабля была большая антенна с высоким коэффициентом усиления, которую не удалось развернуть в космосе, поэтому вместо нее использовалась антенна с низким коэффициентом усиления, хотя и с более низкой скоростью передачи данных. [34]
Научные инструменты для измерения полей и частиц были установлены на вращающейся части космического корабля вместе с основной антенной , источником питания, двигательным модулем и большей частью компьютеров Галилео и управляющей электроникой. Шестнадцать приборов общим весом 118 кг (260 фунтов) включали датчики магнитометра , установленные на стреле длиной 11 м (36 футов), чтобы минимизировать помехи от космического корабля; плазменный прибор для регистрации заряженных частиц низкой энергии и детектор плазменных волн для исследования волн, генерируемых этими частицами ; детектор частиц высоких энергий; и детектор космической и юпитерианской пыли . На нем также находился счетчик тяжелых ионов, инженерный эксперимент по оценке потенциально опасной среды заряженных частиц, через которую пролетал космический корабль, и детектор крайнего ультрафиолета , связанный с УФ-спектрометром на сканирующей платформе. [2]
Инструменты заброшенной секции включали систему камер; картографический спектрометр ближнего инфракрасного диапазона для создания мультиспектральных изображений для химического анализа атмосферы и поверхности Луны; ультрафиолетовый спектрометр для исследования газов; и фотополяриметр-радиометр для измерения лучистой и отраженной энергии. Система камер была разработана для получения изображений спутников Юпитера с разрешением в 20–1000 раз лучшим, чем у лучшего «Вояджера » , потому что «Галилей» подлетал ближе к планете и ее внутренним спутникам, а также потому, что более современный ПЗС- датчик в камере «Галилео » был более качественным. чувствительный и имел более широкую полосу обнаружения цвета, чем видиконы « Вояджера » . [2]
SSI представляла собой камеру с зарядовой связью (CCD) размером 800 на 800 пикселей . Оптическая часть камеры представляла собой модифицированную запасную часть узкоугольной камеры «Вояджер» ; телескоп Кассегрена . [35] ПЗС-матрица имела радиационную защиту в виде слоя тантала толщиной 10 мм (0,4 дюйма) , окружающего ПЗС-матрицу, за исключением тех мест, где свет попадает в систему. Для получения изображений на определенных длинах волн использовалось восьмипозиционное колесо фильтров. Затем изображения были объединены в электронном виде на Земле для получения цветных изображений. Спектральный отклик SSI варьировался от примерно 400 до 1100 нм. SSI весил 29,7 кг (65 фунтов) и потреблял в среднем 15 Вт мощности. [36] [37]
Прибор NIMS был чувствителен к инфракрасному свету с длиной волны от 0,7 до 5,2 микрометра , что перекрывало диапазон длин волн SSI. НИМС использовал телескоп-рефлектор с апертурой 229 мм (9 дюймов). Спектрометр использовал решетку для рассеивания света , собранного телескопом. Дисперсный спектр света фокусировался на детекторах из индия , антимонида и кремния . NIMS весил 18 кг (40 фунтов) и потреблял в среднем 12 Вт мощности. [38] [39]
Телескоп Кассегрена UVS имел апертуру 250 мм (9,8 дюйма). И UVS, и EUV инструменты использовали линейчатую решетку для рассеивания света для спектрального анализа. Затем свет проходил через выходную щель в фотоумножители , которые производили импульсы электронов, которые подсчитывались, а результаты отправлялись на Землю. UVS был установлен на сканирующей платформе Galileo . EUV устанавливался на вращающейся секции. Когда Галилей вращался, EUV наблюдал узкую ленту пространства, перпендикулярную оси вращения. Два инструмента вместе весили около 9,7 кг (21 фунт) и потребляли мощность 5,9 Вт. [40] [41]
ППР имел семь радиометрических диапазонов. Один из них не использовал фильтров и наблюдал всю поступающую радиацию, как солнечную, так и тепловую. Другая полоса пропускала только солнечное излучение. Разница между солнечно-тепловым и только солнечным каналами дает общее количество излучаемого теплового излучения. PPR также измерялся в пяти широкополосных каналах, охватывающих спектральный диапазон от 17 до 110 микрометров. Радиометр предоставил данные о температуре атмосферы и спутников Юпитера. Конструкция прибора была основана на конструкции прибора, установленного на космическом корабле «Пионер Венера» . Телескоп-отражатель с апертурой 100 мм (4 дюйма) собирал свет и направлял его на ряд фильтров, откуда измерения проводились детекторами PPR. PPR весил 5,0 кг (11,0 фунтов) и потреблял около 5 Вт мощности. [42] [43]
Подсистема пыледетектора (DDS) использовалась для измерения массы, электрического заряда и скорости налетающих частиц. Массы частиц пыли, которые может обнаружить DDS, составляют от 10от −16 до 10−7 грамм. Скорость этих маленьких частиц можно измерить в диапазоне от 1 до 70 километров в секунду (от 0,6 до 43,5 миль/с). Прибор мог измерять скорость ударов от 1 частицы за 115 дней (10 мегасекунд) до 100 частиц в секунду. Такие данные были использованы для определения происхождения пыли и ее динамики в магнитосфере . DDS весил 4,2 кг (9,3 фунта) и потреблял в среднем 5,4 Вт мощности. [44] [45]
Детектор энергичных частиц (ЭПД) был разработан для измерения количества и энергии ионов и электронов, энергия которых превышала около 20 кэВ (3,2 фДж). EPD также может измерять направление движения таких частиц и, в случае ионов, определять их состав ( например, является ли ион кислородом или серой ). В EPD использовались кремниевые твердотельные детекторы и система времяпролетных детекторов для измерения изменений в популяции энергичных частиц на Юпитере в зависимости от положения и времени. Эти измерения помогли определить, как частицы получали энергию и как они переносились через магнитосферу Юпитера. EPD весил 10,5 кг (23 фунта) и потреблял в среднем 10,1 Вт мощности. [46] [47]
По сути, HIC представлял собой переупакованную и обновленную версию некоторых запасных частей системы космических лучей «Вояджер» . HIC обнаружил тяжелые ионы , используя стопки пластин монокристаллического кремния. HIC может измерять тяжелые ионы с энергией от 6 МэВ (1 пДж) до 200 МэВ (32 пДж) на нуклон. В этот диапазон вошли все атомарные вещества между углеродом и никелем . HIC и EUV имели общий канал связи и, следовательно, должны были делить время наблюдения. HIC весил 8,0 кг (17,6 фунта) и потреблял в среднем 2,8 Вт мощности. [48] [49]
В магнитометре (МАГ) использовались два комплекта по три датчика. Три датчика позволили измерить три ортогональные компоненты сечения магнитного поля . Один комплект был расположен на конце стрелы магнитометра и в этом положении находился примерно в 11 м (36 футов) от оси вращения космического корабля. Второй комплект, предназначенный для обнаружения более сильных полей, находился на расстоянии 6,7 м (22 фута) от оси вращения. Стрела использовалась для удаления MAG из непосредственной близости от Галилео , чтобы минимизировать магнитное воздействие космического корабля. Однако не все эти эффекты можно устранить путем удаления прибора. Вращение космического корабля использовалось для отделения естественных магнитных полей от инженерно-индуцированных полей. Еще одним источником потенциальных ошибок в измерениях был изгиб и перекручивание длинной стрелы магнитометра. Для учета этих движений на космическом корабле была жестко закреплена калибровочная катушка, создающая эталонное магнитное поле во время калибровок. Магнитное поле у поверхности Земли имеет напряженность около 50 000 нТл . На Юпитере внешний (11 м) комплект датчиков мог измерять напряженность магнитного поля в диапазоне от ±32 до ±512 нТл, а внутренний (6,7 м) комплект был активен в диапазоне от ±512 до ±16 384 нТл. Эксперимент MAG весил 7,0 кг (15,4 фунта) и потреблял мощность 3,9 Вт. [50] [51]
PLS использовал семь полей зрения для сбора заряженных частиц для анализа энергии и массы. Эти поля зрения охватывали большинство углов от 0 до 180 градусов, расходясь веером от оси вращения. Вращение космического корабля проходило каждое поле зрения по полному кругу. PLS измерял частицы в диапазоне энергий от 0,9 до 52 000 эВ (от 0,14 до 8 300 аДж ). PLS весил 13,2 кг (29 фунтов) и потреблял в среднем 10,7 Вт мощности. [52] [53]
Для изучения электрических полей плазмы использовалась электрическая дипольная антенна , а для изучения магнитных полей — две магнитные антенны поисковой катушки. Электрическая дипольная антенна была установлена на конце стрелы магнитометра. Магнитные антенны поисковой катушки устанавливались на антенном облучателе с высоким коэффициентом усиления. Практически одновременные измерения спектра электрического и магнитного поля позволили отличить электростатические волны от электромагнитных волн . PWS весил 7,1 кг (16 фунтов) и потреблял в среднем 9,8 Вт. [54] [55]
Атмосферный зонд был построен группой космических и коммуникационных компаний Hughes Aircraft Company на заводе в Эль-Сегундо, штат Калифорния . [56] [57] Он весил 339 килограммов (747 фунтов) и имел высоту 86 сантиметров (34 дюйма). [2] Внутри теплового экрана зонда научные инструменты были защищены от сильной жары и давления во время его высокоскоростного путешествия в атмосферу Юпитера со скоростью 48 километров в секунду (110 000 миль в час). [58] Температура достигла около 16 000 ° C (29 000 ° F). [59] НАСА построило специальную лабораторию «Гигантская планета» для моделирования тепловой нагрузки, которая была аналогична конвективному и радиационному нагреву, испытываемому боеголовкой межконтинентальной баллистической ракеты, возвращающейся в атмосферу. [60] [61]
Электроника зонда питалась от 13 литиевых батарей с диоксидом серы , изготовленных Центром источников питания Honeywell в Хоршеме, штат Пенсильвания . Каждый элемент был размером с батарею D , поэтому можно было использовать существующие производственные инструменты. [62] [63] Они обеспечивали номинальную выходную мощность около 7,2 ампер-часов при минимальном напряжении 28,05 вольт. [64]
В состав зонда входило семь приборов для сбора данных о его погружении в Юпитер: [65] [66]
Кроме того, теплозащитный экран зонда содержал инструменты для измерения абляции во время спуска. [67]
Не имея топлива для выхода из гравитационного колодца Юпитера, в конце жизни Галилея зонд был намеренно врезан в Юпитер 21 сентября 2003 года, чтобы предотвратить прямое загрязнение возможной жизни на спутнике Юпитера Европе. [68]
Зонд Галилео имел идентификатор COSPAR 1989-084E, а орбитальный аппарат - 1989-084B. [69] Названия космического корабля включают «Зонд Галилео» или «Зонд входа в Юпитер» , сокращенно JEP. [70] Соответствующие идентификаторы COSPAR миссии Галилео были: [71]
DSI через Штутгартский университет
