Galileo был американским роботизированным космическим зондом , который изучал планету Юпитер и ее луны , а также астероиды Гаспра и Ида . Названный в честь итальянского астронома Галилео Галилея , он состоял из орбитального аппарата и зонда для входа в атмосферу. Он был доставлен на орбиту Земли 18 октября 1989 года космическим челноком Atlantis во время STS-34 . Galileo прибыл на Юпитер 7 декабря 1995 года после гравитационного пролета мимо Венеры и Земли и стал первым космическим аппаратом, вышедшим на орбиту внешней планеты. [4]
Лаборатория реактивного движения построила космический аппарат Galileo и управляла программой Galileo для NASA . Западногерманская компания Messerschmitt-Bölkow-Blohm поставила двигательный модуль. Исследовательский центр Эймса NASA управлял атмосферным зондом, который был построен 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).
Космические аппараты обычно стабилизируются либо вращением вокруг фиксированной оси, либо поддержанием фиксированной ориентации относительно Солнца и звезды. Галилео делал и то, и другое. Одна секция космического аппарата вращалась со скоростью 3 оборота в минуту, поддерживая устойчивость Галилео и удерживая шесть инструментов, которые собирали данные с разных направлений, включая инструменты полей и частиц.
Galileo был намеренно уничтожен в атмосфере Юпитера 21 сентября 2003 года. Следующим орбитальным аппаратом, отправленным к Юпитеру, был Juno , который прибыл 5 июля 2016 года.
Юпитер — самая большая планета в Солнечной системе , масса которой более чем в два раза превышает массу всех остальных планет вместе взятых. [5] Рассмотрение вопроса об отправке зонда к Юпитеру началось еще в 1959 году. [6] Научно-консультативная группа НАСА (SAG) по миссиям во внешнюю Солнечную систему рассмотрела требования к орбитальным аппаратам и атмосферным зондам Юпитера. Она отметила, что технология создания теплового экрана для атмосферного зонда еще не существовала, а возможности для его испытания в условиях Юпитера будут доступны только в 1980 году. [7] Руководство НАСА назначило Лабораторию реактивного движения (JPL) ведущим центром для проекта зонда Jupiter Orbiter Probe (JOP). [8] JOP станет пятым космическим аппаратом, который посетит Юпитер, но первым, вышедшим на его орбиту, а зонд первым войдет в его атмосферу. [9]
Важным решением, принятым в это время, было использование космического корабля программы Mariner, похожего на тот, который использовался для Voyager, для орбитального аппарата Юпитера, а не Pioneer. Pioneer стабилизировался вращением космического корабля со скоростью 60 об/мин , что давало 360-градусный обзор окрестностей и не требовало системы управления ориентацией. Напротив, Mariner имел систему управления ориентацией с тремя гироскопами и двумя наборами из шести азотных реактивных двигателей. Ориентация определялась относительно Солнца и Канопуса , которые контролировались двумя первичными и четырьмя вторичными датчиками. Также имелся инерциальный опорный блок и акселерометр . Это позволяло ему делать снимки с высоким разрешением, но функциональность достигалась ценой увеличения веса. Mariner весил 722 килограмма (1592 фунта) по сравнению со 146 килограммами (322 фунта) у Pioneer. [10]
Джон Р. Касани , возглавлявший проекты Mariner и Voyager, стал первым руководителем проекта. [11] Он запросил предложения по более вдохновляющему названию для проекта, и большинство голосов досталось «Галилео» в честь Галилео Галилея , первого человека, увидевшего Юпитер в телескоп. Его открытие в 1610 году того, что сейчас известно как галилеевы луны, вращающиеся вокруг Юпитера, было важным доказательством коперниканской модели солнечной системы. Также было отмечено, что это название было названием космического корабля в телешоу Star Trek . Новое название было принято в феврале 1978 года. [12]
Лаборатория реактивного движения построила космический корабль Galileo и управляла миссией Galileo для NASA. Западногерманская компания Messerschmitt-Bölkow-Blohm поставила двигательный модуль. Исследовательский центр Ames NASA управлял атмосферным зондом, который был построен 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] Космические аппараты обычно стабилизируются либо вращением вокруг фиксированной оси, либо поддержанием фиксированной ориентации относительно Солнца и звезды; Galileo делал и то, и другое. Одна секция космического аппарата вращалась со скоростью 3 оборота в минуту , поддерживая Galileo в устойчивом положении и удерживая шесть приборов, которые собирали данные с разных направлений, включая приборы для измерения полей и частиц. [13] Вернувшись на Землю, команда по управлению миссией 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 минимум 2 000 часов испытаний. Ожидалось, что космический корабль прослужит не менее пяти лет — достаточно долго, чтобы достичь Юпитера и выполнить свою миссию. [14]
19 декабря 1985 года он вылетел из JPL в Пасадене, штат Калифорния , на первый этап своего путешествия — поездку в Космический центр Кеннеди во Флориде . [14] [15] Из-за катастрофы космического челнока Challenger майская дата запуска не могла быть соблюдена. [16] Миссия была перенесена на 12 октября 1989 года. Космический корабль Galileo должен был быть запущен миссией STS-34 на космическом челноке Atlantis . [17] По мере приближения даты запуска Galileo антиядерные группы , обеспокоенные тем, что они считали неприемлемым риском для общественной безопасности от плутония в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РИТЭГах) Galileo и модулях источника тепла общего назначения (GPHS), обратились в суд с просьбой о запрете запуска Galileo . [18] РИТЭГи были необходимы для зондов дальнего космоса, поскольку им приходилось летать на большие расстояния от Солнца, что делало использование солнечной энергии нецелесообразным. [19]
Запуск откладывался ещё дважды: из-за неисправности главного контроллера двигателя, из-за которой пришлось отложить его на 17 октября, а затем из-за неблагоприятных погодных условий, из-за которых пришлось отложить запуск на следующий день, [20] но это не было проблемой, поскольку окно запуска было продлено до 21 ноября. [21] Atlantis наконец стартовал в 16:53:40 UTC 18 октября и вышел на орбиту высотой 343 километра (213 миль). [20] Galileo был успешно развёрнут в 00:15 UTC 19 октября . [16] После включения IUS космический аппарат Galileo принял конфигурацию для одиночного полета и отделился от IUS в 01:06:53 UTC 19 октября. [22] Запуск прошёл идеально, и Galileo вскоре направился к Венере со скоростью более 14 000 км/ч (9 000 миль/ч). [23] Атлантида благополучно вернулась на Землю 23 октября. [20]
Подсистема CDH была активно избыточной, с двумя параллельными шинами систем данных , работающими постоянно. [24] Каждая шина систем данных (она же строка) состояла из одних и тех же функциональных элементов, включающих мультиплексоры (MUX), высокоуровневые модули (HLM), низкоуровневые модули (LLM), преобразователи мощности (PC), объемную память (BUM), объемную память подсистемы управления данными (DBUM), временные цепи (TC), контуры 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 центральными процессорами RCA 1802 COSMAC : четыре на вращающейся стороне и два на невращающейся стороне. Каждый центральный процессор работал на частоте около 1,6 МГц и был изготовлен на сапфире ( кремний на сапфире ), который является радиационно- и статически стойким материалом, идеальным для работы космического корабля. Этот 8-битный микропроцессор был первым маломощным процессорным чипом CMOS , похожим на 6502 , который в то время встраивался в настольный компьютер Apple II . [27]
Система управления ориентацией и артикуляцией Galileo (AACSE) контролировалась двумя бортовыми компьютерами Itek Advanced Technology (ATAC), построенными с использованием радиационно-устойчивых 2901. AACSE можно было перепрограммировать в полете, отправив новую программу через подсистему управления и данных. [28] Программное обеспечение системы управления ориентацией было написано на языке программирования HAL/S , [29] который также использовался в программе Space Shuttle . [30]
Объем памяти, предоставляемый каждым BUM, составлял 16 КБ ОЗУ , в то время как каждый DBUM предоставлял 8 КБ ОЗУ. В подсистеме CDH было два BUM и два DBUM, и все они находились на вращающейся стороне космического корабля. BUM и DBUM обеспечивали хранение последовательностей и содержали различные буферы для телеметрических данных и межшинной связи. Каждый HLM и LLM был построен вокруг одного микропроцессора 1802 и 32 КБ ОЗУ (для HLM) или 16 КБ ОЗУ (для LLM). Два HLM и два LLM находились на вращающейся стороне, в то время как два LLM находились на разворачивающейся стороне. Таким образом, общий объем памяти, доступный подсистеме CDH, составлял 176 КБ ОЗУ: 144 КБ выделено для вращающейся стороны и 32 КБ для разворачивающейся стороны. [31] Каждый HLM отвечал за следующие функции:
Каждый магистр права отвечал за следующие функции:
Подсистема движения состояла из главного двигателя 400 Н (90 фунтов силы) и двенадцати двигателей 10 Н (2,2 фунта силы), а также топливных, складских и напорных баков и соответствующей сантехники. Двигатели 10 Н были установлены группами по шесть на двух 2-метровых (6,6 футов) штангах. Топливом для системы служило 925 кг (2039 фунтов) монометилгидразина и азотного тетраоксида . Два отдельных бака содержали еще 7 кг (15 фунтов) гелиевого нагнетателя. Подсистема движения была разработана и построена компанией Messerschmitt-Bölkow-Blohm и предоставлена Западной Германией, основным международным партнером проекта Galileo . [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 были бы непомерно большими из-за технологических ограничений. Решением стали два радиоизотопных термоэлектрических генератора (РИТЭГ), которые питали космический корабль посредством радиоактивного распада плутония-238 . Тепло, выделяемое этим распадом, преобразовывалось в электричество посредством твердотельного эффекта Зеебека . Это обеспечивало надежный и долговечный источник электроэнергии, не подверженный влиянию холодной среды и полей высокой радиации в системе Юпитера. [27] [32]
Каждый GPHS-RTG , установленный на 5-метровой (16 футов) стреле, нес 7,8 килограммов (17 фунтов) 238 Pu . Каждый RTG содержал 18 отдельных модулей источников тепла, и каждый модуль заключал в себе четыре таблетки оксида плутония (IV) , керамического материала, устойчивого к трещинам. [32] Плутоний был обогащен примерно до 83,5 процентов плутония-238. [33] Модули были спроектированы так, чтобы выдерживать ряд потенциальных аварий: взрыв или пожар ракеты-носителя, возвращение в атмосферу с последующим ударом о землю или воду и ситуации после удара. Внешнее покрытие из графита обеспечивало защиту от структурных, термических и эрозионных сред потенциального возвращения в атмосферу Земли. Дополнительные графитовые компоненты обеспечивали защиту от ударов, в то время как иридиевая оболочка RTG обеспечивала сдерживание после удара. [32] RTG вырабатывали около 570 Вт при запуске. Выходная мощность первоначально уменьшалась со скоростью 0,6 Вт в месяц и составила 493 Вт, когда Галилей прибыл на Юпитер. [3]
Космический корабль имел большую антенну с высоким коэффициентом усиления, которая не смогла раскрыться во время нахождения в космосе, поэтому вместо нее использовалась антенна с низким коэффициентом усиления, хотя и с более низкой скоростью передачи данных. [34]
Научные приборы для измерения полей и частиц были установлены на вращающейся секции космического корабля вместе с главной антенной , источником питания, модулем двигателя и большинством компьютеров и управляющей электроники Галилео . Шестнадцать приборов, общим весом 118 кг (260 фунтов), включали датчики магнитометра, установленные на 11-метровой (36-футовой) стреле для минимизации помех от космического корабля; плазменный прибор для обнаружения низкоэнергетических заряженных частиц и плазменный волновой детектор для изучения волн, генерируемых частицами; детектор высокоэнергетических частиц; и детектор космической и юпитерианской пыли . Он также нес счетчик тяжелых ионов, инженерный эксперимент для оценки потенциально опасных сред заряженных частиц, через которые пролетал космический корабль, и детектор экстремального ультрафиолета, связанный с УФ-спектрометром на сканирующей платформе. [2]
Инструменты секции despun включали систему камер; ближний инфракрасный картографический спектрометр для создания многоспектральных изображений для химического анализа атмосферы и поверхности луны; ультрафиолетовый спектрометр для изучения газов; и фотополяриметр-радиометр для измерения лучистой и отраженной энергии. Система камер была разработана для получения изображений спутников Юпитера с разрешением от 20 до 1000 раз лучше, чем у лучших Voyager , потому что Galileo пролетел ближе к планете и ее внутренним лунам, и потому что более современный датчик CCD в камере Galileo был более чувствительным и имел более широкую полосу обнаружения цвета, чем видиконы Voyager . [2]
SSI представляла собой камеру с зарядовой связью (ПЗС) размером 800 на 800 пикселей. Оптическая часть камеры представляла собой модифицированную запасную часть узкоугольной камеры Voyager ; телескоп Кассегрена . [35] ПЗС имела радиационную защиту в виде слоя тантала толщиной 10 мм (0,4 дюйма) , окружавшего ПЗС, за исключением тех мест, где свет попадал в систему. Для получения изображений на определенных длинах волн использовалось колесо фильтров с восемью позициями. Затем изображения объединялись электронным способом на Земле для получения цветных изображений. Спектральная чувствительность SSI варьировалась от примерно 400 до 1100 нм. SSI весила 29,7 кг (65 фунтов) и потребляла в среднем 15 Вт энергии. [36] [37]
Инструмент NIMS был чувствителен к инфракрасному свету с длиной волны от 0,7 до 5,2 микрометра , что перекрывало диапазон длин волн SSI. NIMS использовал рефлекторный телескоп с апертурой 229 мм (9 дюймов). Спектрометр использовал решетку для рассеивания света, собранного телескопом. Рассеянный 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). Оба инструмента UVS и EUV использовали линейчатую решетку для рассеивания света для спектрального анализа. Затем свет проходил через выходную щель в фотоумножительные трубки, которые производили импульсы электронов, которые подсчитывались, а результаты отправлялись на Землю. UVS был установлен на сканирующей платформе Galileo . EUV был установлен на вращающейся секции. Когда Galileo вращался, EUV наблюдал узкую полоску пространства, перпендикулярную оси вращения. Оба инструмента вместе весили около 9,7 кг (21 фунт) и использовали 5,9 Вт мощности. [40] [41]
PPR имел семь радиометрических диапазонов. Один из них не использовал никаких фильтров и наблюдал все входящее излучение, как солнечное, так и тепловое. Другой диапазон пропускал только солнечное излучение. Разница между солнечным плюс тепловым и солнечным только каналами давала общее тепловое излучение. PPR также проводил измерения в пяти широкополосных каналах, которые охватывали спектральный диапазон от 17 до 110 микрометров. Радиометр предоставлял данные о температурах атмосферы и спутников Юпитера. Конструкция прибора была основана на конструкции прибора, установленного на космическом корабле Pioneer Venus . Зеркальный телескоп с апертурой 100 мм (4 дюйма) собирал свет и направлял его на ряд фильтров, а оттуда измерения выполнялись детекторами PPR. PPR весил 5,0 кг (11,0 фунтов) и потреблял около 5 Вт энергии. [42] [43]
Подсистема пылевого детектора (DDS) использовалась для измерения массы, электрического заряда и скорости входящих частиц. Массы частиц пыли, которые могла обнаружить DDS, варьировались от 10−16 до 10−7 граммов. Скорость этих мелких частиц можно было измерить в диапазоне от 1 до 70 километров в секунду (от 0,6 до 43,5 миль/с). Прибор мог измерять частоту столкновений от 1 частицы за 115 дней (10 мегасекунд) до 100 частиц в секунду. Такие данные использовались для определения происхождения пыли и динамики внутри магнитосферы . DDS весил 4,2 кг (9,3 фунта) и использовал в среднем 5,4 Вт мощности. [44] [45]
Детектор энергичных частиц (EPD) был разработан для измерения количества и энергии ионов и электронов, энергия которых превышала примерно 20 кэВ (3,2 фДж). EPD также мог измерять направление движения таких частиц и, в случае ионов, мог определять их состав (например, является ли ион кислородом или серой ). EPD использовал кремниевые твердотельные детекторы и систему детекторов времени пролета для измерения изменений в популяции энергичных частиц на Юпитере в зависимости от положения и времени. Эти измерения помогли определить, как частицы получали свою энергию и как они транспортировались через магнитосферу Юпитера. EPD весил 10,5 кг (23 фунта) и потреблял в среднем 10,1 Вт мощности. [46] [47]
HIC был, по сути, переупакованной и обновленной версией некоторых частей запасных частей системы космических лучей Voyager . HIC обнаруживал тяжелые ионы, используя стопки монокристаллических кремниевых пластин. HIC мог измерять тяжелые ионы с энергией от 6 МэВ (1 пДж) до 200 МэВ (32 пДж) на нуклон. Этот диапазон включал все атомные вещества от углерода до никеля . HIC и EUV совместно использовали канал связи и, следовательно, должны были делить время наблюдения. HIC весил 8,0 кг (17,6 фунта) и использовал в среднем 2,8 Вт мощности. [48] [49]
Магнитометр (MAG) использовал два набора из трех датчиков. Три датчика позволяли измерять три ортогональных компонента сечения магнитного поля . Один набор располагался на конце стрелы магнитометра и в этом положении находился на расстоянии около 11 м (36 футов) от оси вращения космического корабля. Второй набор, 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 магнитные эффекты от космического корабля. Однако не все эти эффекты можно было устранить путем удаления прибора. Вращение космического корабля использовалось для отделения естественных магнитных полей от полей, вызванных инженерными причинами. Другим источником потенциальной ошибки измерения были изгибы и скручивания длинной стрелы магнитометра. Чтобы учесть эти движения, на космическом корабле была жестко закреплена калибровочная катушка для создания опорного магнитного поля во время калибровок. Магнитное поле на поверхности Земли имеет напряженность около 50 000 нТл . На Юпитере внешний (11 м) набор датчиков мог измерять напряженность магнитного поля в диапазоне от ±32 до ±512 нТл, в то время как внутренний (6,7 м) набор был активен в диапазоне от ±512 до ±16 384 нТл. Эксперимент MAG весил 7,0 кг (15,4 фунта) и использовал 3,9 Вт мощности. [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 переносило каждое поле зрения через полный круг. 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 использовал в среднем 10,7 Вт мощности. [52] [53]
Электрическая дипольная антенна использовалась для изучения электрических полей плазмы , в то время как две магнитные антенны поисковой катушки изучали магнитные поля. Электрическая дипольная антенна была установлена на конце стрелы магнитометра. Магнитные антенны поисковой катушки были установлены на антенном фидере с высоким коэффициентом усиления. Почти одновременные измерения спектра электрического и магнитного поля позволили отличить электростатические волны от электромагнитных волн . PWS весил 7,1 кг (16 фунтов) и использовал в среднем 9,8 Вт. [54] [55]
Атмосферный зонд был построен Группой по исследованию космоса и коммуникаций компании Hughes Aircraft Company на ее заводе в Эль-Сегундо, Калифорния . [57] [58] Он весил 339 килограммов (747 фунтов) и имел высоту 86 сантиметров (34 дюйма). [2] Внутри теплового экрана зонда научные приборы были защищены от экстремального тепла и давления во время его высокоскоростного путешествия в атмосферу Юпитера, со скоростью 48 километров в секунду (110 000 миль в час). [59] Температура достигала около 16 000 °C (29 000 °F). [56] НАСА построило специальную лабораторию, Giant Planet Facility, для моделирования тепловой нагрузки, которая была похожа на конвективный и радиационный нагрев, испытываемый боеголовкой МБР, возвращающейся в атмосферу. [60] [61]
Электроника зонда питалась от 13 литий-сернистых батарей, произведенных Honeywell 's Power Sources Center в Хоршаме, штат Пенсильвания . Каждая ячейка была 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]
Зонд имел семь инструментов для сбора данных о своем погружении в Юпитер: [65] [66]
Кроме того, тепловой экран зонда содержал приборы для измерения абляции во время спуска. [67]
Из-за нехватки топлива, необходимого для выхода из гравитационного колодца Юпитера, в конце жизни Галилея зонд был намеренно направлен на Юпитер 21 сентября 2003 года, чтобы предотвратить дальнейшее загрязнение возможной жизни на спутнике Юпитера Европе. [68]
Зонд Galileo имел идентификатор COSPAR 1989-084E, а орбитальный аппарат имел идентификатор 1989-084B. [69] Названия космического корабля включают Galileo Probe или Jupiter Entry Probe, сокращенно JEP. [70] Соответствующие идентификаторы COSPAR миссии Galileo были: [71]
DSI через Штутгартский университет
