Helios-A and Helios-B (after launch renamed Helios 1 and Helios 2) are a pair of probes that were launched into heliocentric orbit to study solar processes. As a joint venture between German Aerospace Center (DLR) and NASA, the probes were launched from Cape Canaveral Air Force Station, Florida, on December 10, 1974, and January 15, 1976, respectively.
Проект Гелиос установил рекорд максимальной скорости космического корабля - 252 792 км/ч (157 078 миль в час; 70 220 м/с). [3] Гелиос-Б совершил самый близкий к Солнцу облет из всех космических аппаратов до того времени. Зонды больше не функционируют, но по состоянию на 2023 год остаются на эллиптических орбитах вокруг Солнца.
Проект Гелиос был совместным предприятием западногерманского космического агентства DLR (70 процентов акций) и НАСА (30 процентов акций). Построенные генеральным подрядчиком, компанией «Мессершмитт-Бельков-Блом» , они были первыми космическими зондами, построенными за пределами США и Советского Союза, которые покинули околоземную орбиту. [ нужна цитата ]
Два зонда Гелиос выглядят одинаково. Гелиос-А имеет массу 370 кг (820 фунтов), а Гелиос-Б — 376,5 кг (830 фунтов). Их научная полезная нагрузка имеет массу 73,2 кг (161 фунт) на Гелиосе-А и 76,5 кг (169 фунтов) на Гелиосе-Б . Центральные тела представляют собой шестнадцатигранные призмы диаметром 1,75 метра (5 футов 9 дюймов) и высотой 0,55 метра (1 фут 10 дюймов). Большая часть оборудования и приборов смонтирована в этом центральном корпусе. Исключение составляют мачты и усики, используемые во время экспериментов, а также небольшие телескопы, измеряющие зодиакальный свет и выходящие из центрального тела. Две конические солнечные панели расположены над и под центральным корпусом, придавая узлу вид диаболо или катушки с нитками.
При запуске каждый зонд имел высоту 2,12 метра (6 футов 11 дюймов) и максимальный диаметр 2,77 метра (9 футов 1 дюйм). На орбите телекоммуникационные антенны развернулись наверху зондов и увеличили высоту до 4,2 метра (14 футов). Также были развернуты две жесткие стрелы с датчиками и магнитометрами, прикрепленные по обе стороны центральных тел, и две гибкие антенны, используемые для обнаружения радиоволн, которые простирались перпендикулярно осям космического корабля на расчетную длину 16 метров (52 футов) каждый. [4]
Космический корабль вращается вокруг своих осей, перпендикулярных эклиптике , со скоростью 60 об/мин .
Электрическая энергия обеспечивается солнечными элементами , прикрепленными к двум усеченным конусам. Чтобы поддерживать температуру солнечных панелей ниже 165 °C (329 °F), когда они находятся вблизи Солнца, солнечные элементы перемежаются зеркалами, покрывающими 50% поверхности и отражающими часть падающего солнечного света, рассеивая при этом избыточное тепло. . Мощность, подаваемая солнечными панелями, составляет минимум 240 Вт , когда зонд находится в афелии . Его напряжение регулируется до 28 вольт постоянного тока . Серебряно-цинковые батареи использовались только во время запуска.
Самая большая техническая проблема заключалась в том, чтобы избежать нагревания на орбите, находясь вблизи Солнца. На расстоянии 0,3 астрономических единиц (45 000 000 км; 28 000 000 миль) от Солнца приблизительный тепловой поток составляет 11 солнечных постоянных (в 11 раз больше количества солнечного излучения, получаемого на околоземной орбите), или 22,4 кВт на открытый квадратный метр. На таком расстоянии температура зонда может достигать 370 °C (698 °F).
Солнечные элементы и центральный отсек приборов пришлось поддерживать при гораздо более низких температурах. Температура солнечных элементов не могла превышать 165 ° C (329 ° F), а в центральном отсеке должна была поддерживаться температура от -10 до 20 ° C (от 14 до 68 ° F). Эти ограничения потребовали отказа от 96 процентов энергии, получаемой от Солнца. Коническая форма солнечных панелей была выбрана для уменьшения нагрева. Наклон солнечных панелей относительно солнечного света, приходящего перпендикулярно оси зонда, отражает большую часть солнечного излучения . «Зеркала второй поверхности», специально разработанные НАСА , покрывают весь центральный корпус и 50 процентов солнечных генераторов. Они изготовлены из плавленого кварца с серебряной пленкой на внутренней стороне, которая сама покрыта диэлектрическим материалом. Для дополнительной защиты использовалась многослойная изоляция , состоящая из 18 слоев майлара или каптона толщиной 0,25 мм (0,0098 дюйма) (в зависимости от местоположения), удерживаемых друг от друга небольшими пластиковыми штифтами, предназначенными для предотвращения образования тепловых мостов . частично закрыть основной отсек. Помимо этих пассивных устройств, зонды использовали активную систему подвижных жалюзи, расположенных в виде ставней вдоль нижней и верхней сторон отсека. Его открытие контролируется отдельно биметаллической пружиной, длина которой меняется в зависимости от температуры и вызывает открытие или закрытие затвора. Резисторы также использовались для поддержания температуры, достаточной для определенного оборудования. [5]
В телекоммуникационной системе используется радиопередатчик, мощность которого можно регулировать от 0,5 до 20 Вт. Наверху каждого зонда установлены три антенны. Антенна с высоким коэффициентом усиления (23 дБ ) и шириной луча 11°, антенна со средним усилением (3 дБ на передачу и 6,3 дБ на прием) излучает сигнал во всех направлениях плоскости эклиптики на высоте 15°, а Дипольная антенна с низким коэффициентом усиления (0,3 дБ на передачу и 0,8 дБ на прием). Для непрерывного направления на Землю антенна с высоким коэффициентом усиления вращается двигателем со скоростью, которая уравновешивает вращение зонда. Синхронизация скорости вращения осуществляется по данным, поступающим от датчика Солнца . Максимальная скорость передачи данных, полученная при большом усилении антенны, составила 4096 бит в секунду в восходящем направлении. Прием и передачу сигналов поддерживали антенны Deep Space Network на Земле.
Для сохранения ориентации во время миссии космический корабль непрерывно вращался со скоростью 60 об/мин вокруг своей главной оси. Система контроля ориентации управляет скоростью и ориентацией валов зонда. Чтобы определить его ориентацию, Гелиос использовал примитивный датчик Солнца . Корректировка наведения производилась с помощью холодных газовых двигателей (7,7 кг азота ) с форсированием 1 Ньютон . Ось зонда постоянно поддерживалась перпендикулярно направлению Солнца и плоскости эклиптики.
Бортовые контроллеры были способны обрабатывать 256 команд. Массовая память могла хранить 500 КБ (это была очень большая память для космических зондов того времени) и в основном использовалась, когда зонды находились в превосходном соединении относительно Земли (т. е. Солнце проходило между Землей и космическим кораблем). . Соединение могло длиться до 65 дней.
Гелиос-А и Гелиос-Б были запущены 10 декабря 1974 года и 15 января 1976 года соответственно. Гелиос-Б пролетел на 3 000 000 километров (1 900 000 миль) ближе к Солнцу, чем Гелиос-А , достигнув перигелия 17 апреля 1976 года на рекордном расстоянии 43,432 миллиона км (26 987 000 миль; 0,29032 а.е.), [6] ближе, чем орбита. Меркурия . Гелиос-Б был отправлен на орбиту через 13 месяцев после запуска Гелиоса-А . Гелиос-Б совершил самый близкий к Солнцу облет из всех космических кораблей до Солнечного зонда Паркер в 2018 году, на расстоянии 0,29 а.е. (43,432 миллиона км) от Солнца. [6]
Космические зонды «Гелиос» завершили свои основные миссии к началу 1980-х годов, но продолжали отправлять данные до 1985 года.
Оба зонда «Гелиос» имели десять научных приборов [7] и два пассивных научных исследования с использованием телекоммуникационной системы космического корабля и орбиты космического корабля.
Измеряет скорость и распределение плазмы солнечного ветра . Разработан Институтом аэрономии Макса Планка для изучения частиц низкой энергии. Собранные данные включали плотность, скорость и температуру солнечного ветра. Измерения проводились каждую минуту, за исключением плотности потока, которая происходила каждые 0,1 секунды для выявления неоднородностей плазменных волн. Используемые инструменты включали: [8]
Феррозондовый магнитометр измеряет напряженность и направление низкочастотных магнитных полей в окружающей среде Солнца. Он был разработан Брауншвейгским университетом , Германия. Он с высокой точностью измеряет трехвекторные компоненты солнечного ветра и его магнитного поля. Интенсивность измеряется с точностью до 0,4 нТл при интенсивности ниже 102,4 нТл и до 1,2 нТл при интенсивностях ниже 409,6 нТл. Доступны две частоты дискретизации: поиск каждые две секунды или восемь показаний в секунду. [9]
Измеряет изменения напряженности поля и направления низкочастотных магнитных полей в среде Солнца. Разработан Центром космических полетов имени Годдарда НАСА; измеряет вариации трехвекторных компонент солнечного ветра и его магнитного поля с точностью до 0,1 нТл при около 25 нТл, до 0,3 нТл при около 75 нТл и до 0,9 нТл при напряженности 225 нТл . [10]
Магнитометр с поисковой катушкой дополняет феррозондовый магнитометр, измеряя магнитные поля в диапазоне от 0 до 3 кГц. Он также разработан Брауншвейгским университетом и обнаруживает колебания магнитного поля в диапазоне от 5 Гц до 3000 Гц. Спектральное разрешение осуществляется на оси вращения зонда. [11]
В исследовании плазменных волн, разработанном Университетом Айовы, используются две 15-метровые антенны, образующие электрический диполь, для изучения электростатических и электромагнитных волн в плазме солнечного ветра на частотах от 10 Гц до 3 МГц. [12] [13] [14]
Исследование космического излучения, разработанное Кильским университетом, было направлено на определение интенсивности, направления и энергии протонов и тяжелых составляющих частиц в радиации, чтобы определить распределение космических лучей. Три детектора ( полупроводниковый детектор , сцинтилляционный счетчик и черенковский детектор ) были заключены в детектор антисовпадений. [15]
Прибор космических лучей, разработанный в Центре космических полетов имени Годдарда, измеряет характеристики протонов с энергией от 0,1 до 800 МэВ и электронов с энергией от 0,05 до 5 МэВ. Он использует три телескопа, которые охватывают плоскость эклиптики. Пропорциональный счетчик изучает рентгеновские лучи Солнца. [16]
Спектрометр низкоэнергетических электронов и протонов, разработанный Институтом аэрономии Макса Планка , использует спектрометры для измерения характеристик частиц (протонов) с энергией от 20 кэВ до 2 МэВ, а также электронов и позитронов с энергией от 80 кэВ до 1 МэВ. [17]
Зодиакальный световой прибор включает в себя три фотометра , разработанные Астрономическим институтом Макса Планка для измерения интенсивности и поляризации зодиакального света в белом свете и в диапазонах длин волн 550 и 400 нм, с использованием трех телескопов, оптические оси которых образуют углы 15, 30 и 90° к эклиптике. В результате этих наблюдений получается информация о пространственном распределении межпланетной пыли, размерах и природе пылевых частиц. [18]
Анализатор «Микрометеороид» , разработанный Институтом ядерной физики Макса Планка, способен обнаруживать частицы космической пыли , если их масса превышает 10–15 г. Он может определить массу и энергию микрометеорита весом более 10–14 г. Эти измерения проводятся с использованием того факта, что микрометеориты испаряются и ионизируются при попадании в цель. Прибор разделяет ионы и электроны в плазме, образующейся в результате ударов, и измеряет массу и энергию падающей частицы. Масс-спектрометр низкого разрешения определяет состав сталкивающихся частиц космической пыли массой более 10-13 г. [19] [20]
Эксперимент «Небесная механика», разработанный Гамбургским университетом, использует особенности орбиты Гелиоса для уточнения астрономических измерений: уплощение Солнца; проверка предсказанных эффектов общей теории относительности ; определение массы планеты Меркурий ; отношение масс Земли и Луны; и интегральная плотность электронов между космическим кораблем «Гелиос» и станцией приема данных на Земле. [21]
Эксперимент по зондированию короны, разработанный Боннским университетом, измеряет вращение ( эффект Фарадея ) линейно поляризованного радиолуча от космического корабля, когда он проходит во время противостояния через корону Солнца. Это вращение является мерой плотности электронов и напряженности магнитного поля в пройденной области. [22]
Гелиос-А был запущен 10 декабря 1974 года со стартового комплекса 41 станции ВВС на мысе Канаверал, штат Флорида . [23] Это был первый оперативный полет ракеты Titan IIIE . Испытательный полет ракеты не удался, поскольку двигатель верхней ступени «Кентавра» не загорелся, но запуск Гелиоса-А прошел без происшествий.
Зонд был выведен на гелиоцентрическую орбиту продолжительностью 192 дня с перигелием 46 500 000 км (28 900 000 миль; 0,311 а.е.) от Солнца. Несколько проблем повлияли на деятельность. Одна из двух антенн развернулась неправильно, что снизило чувствительность радиоплазменного аппарата к низкочастотным волнам. Когда антенна с высоким коэффициентом усиления была подключена, команда миссии поняла, что их излучения мешают анализатору частиц и радиоприемнику. Чтобы уменьшить помехи, связь осуществлялась с использованием пониженной мощности, но это потребовало использования наземных приемников большого диаметра, уже имеющихся благодаря другим продолжающимся космическим миссиям. [24]
Во время первого перигелия в конце февраля 1975 года космический корабль подошел к Солнцу ближе, чем любой предыдущий космический корабль. Температура некоторых компонентов достигла более 100 °C (212 °F), а солнечных панелей — 127 °C (261 °F), не влияя на работу зонда. Однако во время второго прохода 21 сентября температура достигла 132 °C (270 °F), что повлияло на работу некоторых инструментов.
Перед запуском «Гелиоса-Б» в космический корабль были внесены некоторые модификации на основе уроков, извлеченных из эксплуатации « Гелиоса-А» . Были усовершенствованы небольшие двигатели, используемые для ориентации. Изменения были внесены в механизм реализации гибкой антенны и антенны с высоким коэффициентом усиления излучения. Детекторы рентгеновского излучения были усовершенствованы, чтобы они могли обнаруживать всплески гамма-излучения , что позволило использовать их совместно со спутниками на околоземной орбите для триангуляции местоположения всплесков. Поскольку температура на Гелиос-А всегда была более чем на 20 °C (36 °F) ниже расчетного максимума в перигелии, было решено, что Гелиос-Б будет вращаться еще ближе к Солнцу, а теплоизоляция была усилена, чтобы позволить спутнику выдерживать более высокие температуры на 15 процентов.
Жесткие ограничения по графику давили на запуск Гелиоса-Б в начале 1976 года. Объекты, поврежденные во время запуска космического корабля «Викинг-2» в сентябре 1975 года, пришлось ремонтировать, а в результате приземления «Викинга» на Марс летом 1976 года были созданы антенны сети дальнего космоса, которые «Гелиос-Б» B нужно было заниматься наукой, пока перигелий недоступен.
Гелиос-Б был запущен 10 января 1976 года с помощью ракеты Титан IIIE. Зонд был выведен на орбиту с периодом 187 дней и перигелием 43 500 000 км (27 000 000 миль; 0,291 а.е.). Ориентация Гелиоса-Б относительно эклиптики была изменена на 180 градусов по сравнению с Гелиосом-А, так что детекторы микрометеоритов могли иметь охват на 360 градусов. 17 апреля 1976 года Гелиос-Б приблизился к Солнцу на рекордной гелиоцентрической скорости 70 километров в секунду (250 000 км/ч; 160 000 миль в час). Максимальная зарегистрированная температура была на 20 ° C (36 ° F) выше, чем измеренная Helios-A .
Основная миссия каждого зонда длилась 18 месяцев, но действовали они гораздо дольше. 3 марта 1980 года, через четыре года после запуска, на Гелиосе-Б вышел из строя радиоприемопередатчик . 7 января 1981 года была отправлена команда остановки, чтобы предотвратить возможные радиопомехи во время будущих миссий. Гелиос-А продолжал нормально функционировать, но из-за отсутствия антенн DSN большого диаметра данные собирались антеннами малого диаметра с меньшей скоростью. К 14-му витку разрушенные солнечные элементы Гелиоса-А больше не могли обеспечивать достаточную мощность для одновременного сбора и передачи данных, если зонд не находился близко к перигелию. В 1984 году основной и резервный радиоприемники вышли из строя, что указывает на то, что антенна с высоким коэффициентом усиления больше не была направлена на Землю. Последние телеметрические данные были получены 10 февраля 1986 года. [25]
Оба зонда собрали важные данные о процессах солнечного ветра и частицах, составляющих межпланетную среду и космических лучах . Эти наблюдения проводились в течение периода от солнечного минимума в 1976 году до солнечного максимума в начале 1980-х годов.
Наблюдение зодиакального света установило некоторые свойства межпланетной пыли, присутствующей на расстоянии от 0,1 до 1 а.е. от Солнца, такие как ее пространственное распределение, цвет и поляризация . Было замечено, что количество пыли в 10 раз больше, чем вокруг Земли. Неоднородное распределение в целом ожидалось из-за прохождения комет, но наблюдения этого не подтвердили. [ нужна цитата ]
Гелиос собирал данные о кометах, наблюдая прохождение C/1975 V1 (Запад) в 1976 году, C/1978 H1 (Меир) в ноябре 1978 года и C/1979 Y1 (Брэдфилд) в феврале 1980 года. Во время последнего события зонд обнаружил возмущения. Солнечного ветра позже объяснили разрывом хвоста кометы. Анализатор плазмы показал, что явления ускорения высокоскоростного солнечного ветра связаны с наличием корональных дыр. Этот прибор также впервые обнаружил ионы гелия, изолированные в солнечном ветре. В 1981 году, во время пика солнечной активности, данные, собранные Гелиосом-А на небольшом расстоянии от Солнца, помогли завершить визуальные наблюдения корональных выбросов массы, выполненные с орбиты Земли. Данные, собранные магнитометрами Гелиоса, дополняли данные, собранные «Пионером» и «Вояджером» , и использовались для определения направления магнитного поля на разных расстояниях от Солнца.
Детекторы радио- и плазменных волн использовались для обнаружения радиовзрывов и ударных волн, связанных с солнечными вспышками, обычно во время солнечного максимума. Детекторы космических лучей изучали, как Солнце и межпланетная среда влияют на распространение одних и тех же лучей солнечного или галактического происхождения. Был измерен градиент космических лучей в зависимости от расстояния от Солнца. Эти наблюдения в сочетании с наблюдениями, сделанными «Пионером -11» в период с 1977 по 1980 год на расстоянии 12–23 а.е. от Солнца, создали хорошую модель этого градиента . Некоторые особенности внутренней солнечной короны были измерены во время затмений. Для этого либо с космического корабля на Землю был отправлен радиосигнал, либо наземная станция отправила сигнал, который был возвращен зондом. Изменения в распространении сигнала в результате пересечения солнечной короны предоставили информацию о флуктуациях плотности.
По состоянию на 2020 год зонды больше не функционируют, но остаются на орбите вокруг Солнца. [26] [27] [1] [28]
