CryoSat-2 — это миссия Европейского космического агентства (ESA) по исследованию Земли , запущенная 8 апреля 2010 года. [3] CryoSat-2 предназначен для измерения толщины полярного морского льда и мониторинга изменений ледяных щитов. [4] Его основной целью является измерение истончения арктического морского льда, но он может применяться и в других регионах и научных целях, таких как Антарктида и океанография. [5]
CryoSat-2 был построен в качестве замены CryoSat-1 , который не смог достичь орбиты после неудачного запуска в октябре 2005 года. [6] CryoSat-2 был успешно запущен пять лет спустя, в 2010 году, с обновленным программным обеспечением, предназначенным для измерения изменений во льду. мощности с точностью ~10% от ожидаемого межгодового хода. [7] В отличие от предыдущих миссий по спутниковой альтиметрии, CryoSat-2 обеспечивает беспрецедентное покрытие Арктики, достигая 88˚N (предыдущие миссии были ограничены 81,5˚N). [8]
Основной полезной нагрузкой миссии является радар с синтезированной апертурой ( SAR ) интерферометрический радиолокационный высотомер (SIRAL), который измеряет высоту поверхности. [9] Вычитая разницу между высотой поверхности океана и высотой поверхности морского льда, можно рассчитать надводный борт морского льда (часть льда, плавающая над поверхностью моря). Надводный борт можно преобразовать в толщину морского льда, если предположить, что морской лед плавает в гидростатическом равновесии . [10]
CryoSat-2 является частью более широкой миссии ESA CryoSat в рамках программы «Живая планета» . [11] Космический корабль был построен компанией EADS Astrium и запущен МСК «Космотрас» с помощью ракеты-носителя «Днепр» . 22 октября 2010 года CryoSat-2 был объявлен работоспособным после шести месяцев орбитальных испытаний. [12]
Первоначальное предложение по программе CryoSat было представлено в июле 1998 года в рамках конкурса заявок на миссии Earth Explorer в рамках программы Европейского космического агентства «Живая планета». [13] [14] Он был выбран для дальнейших исследований в 1999 году, и после завершения технико-экономического обоснования миссия была разрешена. Фаза строительства началась в 2001 году, а в 2002 году EADS Astrium получила контракт на постройку космического корабля. Также был подписан контракт с компанией «Еврокот» на проведение запуска спутника с помощью ракеты-носителя «Рокот / Бриз-КМ» . [13]
Строительство исходного космического корабля было завершено в августе 2004 года. После испытаний космический корабль был отправлен на космодром Плесецк в России в августе 2005 года и прибыл 1 сентября. [15] Запуск произошел с Зоны 133/3 8 октября; однако из-за отсутствия команды в системе управления полетом ракеты двигатель второй ступени не выключился в конце запланированной работы, и вместо этого ступень сгорела до полного истощения. [16] Это не позволило второй ступени и «Бриз-КМ» отделиться, в результате чего ракета не вышла на орбиту. Космический корабль был потерян при повторном входе в Северный Ледовитый океан , к северу от Гренландии . [17] [18]
Из-за важности миссии CryoSat для понимания глобального потепления и сокращения полярных ледяных шапок был предложен спутник на замену. [19] [20] Разработка CryoSat-2 была одобрена в феврале 2006 года, менее чем через пять месяцев после аварии. [21]
Как и его предшественник, CryoSat-2 был построен компанией EADS Astrium, а его основной прибор — компанией Thales Alenia Space . [22] Строительство и испытания основного прибора космического корабля были завершены к февралю 2008 года, когда он был отправлен для интеграции с остальной частью космического корабля. [23] В августе 2009 года наземная инфраструктура космического корабля, которая была модернизирована после первоначальной миссии, была объявлена готовой к использованию. [24] Строительство и испытания космического корабля были завершены к середине сентября. [25] Руководителем проекта миссии CryoSat-2 был Ричард Фрэнсис, который был системным менеджером в первоначальной миссии CryoSat. [26]
CryoSat-2 представляет собой почти идентичную копию оригинального космического корабля [27] , однако в него были внесены изменения, включая добавление резервного радиолокационного высотомера. [25] Всего при перестройке космического корабля было внесено 85 усовершенствований. [28]
Целью миссии CryoSat является определение изменений толщины льда на ледяных щитах Земли и морском ледяном покрове. [29] Его основная цель — измерить толщину арктического морского льда и проверить гипотезу о том, что арктический морской лед истончается из-за изменения климата. [29] Кроме того, целью миссии является мониторинг изменений толщины льда в Антарктиде и Гренландии, чтобы определить их вклад в повышение уровня моря. [29] Цели миссии можно резюмировать следующим образом:
CryoSat достиг своих первоначальных целей миссии после запуска CryoSat-2, и поэтому миссия была расширена новыми целями. [29]
Когда он был одобрен в феврале 2006 года, запуск CryoSat-2 был запланирован на март 2009 года. [21] Первоначально планировалось, что, как и его предшественник, он будет запущен с помощью ракеты «Рокот», [30] однако из-за отсутствия доступных запусков. Вместо него была выбрана ракета « Днепр» . На запуск был заключен контракт с МСК «Космотрас» . [31] Из-за задержек предыдущих миссий и проблем с доступностью полигона запуск был отложен до февраля 2010 года. [32]
Ракета «Днепр», предназначенная для запуска CryoSat-2, прибыла на космодром Байконур поездом 29 декабря 2009 года. [33] 12 января 2010 года первые две ступени ракеты были загружены в стартовый контейнер, и контейнер был подготовлен к транспортировке. на стартовую площадку. [34] 14 января его перевезли на Зону 109/95 , где он был установлен в бункере . На следующий день третью ступень перевезли в шахту и установили на ракету. [35]
После завершения строительства CryoSat-2 был помещен на хранение в ожидании запуска. [25] В январе 2010 года космический корабль был снят с хранения и отправлен на Байконур для запуска. Он вылетел из мюнхенского аэропорта имени Франца-Иосифа Штрауса на самолете Ан-124 12 января [36] и прибыл на Байконур на следующий день. [37] [38] После прибытия на космодром были проведены окончательная сборка и испытания. [39]
В ходе финальных испытаний инженеры обнаружили, что антенна связи X-диапазона космического корабля ( диапазоны H / I / J НАТО) передавала лишь небольшую часть мощности, которая должна была бы передаваться. Тепловидение показало, что волновод антенны, находящийся глубоко внутри космического корабля, был очень горячим. Очевидно, именно здесь и рассеивалась недостающая сила. Волновод обычно нельзя было проверить или отремонтировать без капитальной разборки спутника, что потребовало бы возвращения на объекты в Европе и привело бы к серьезной задержке запуска. Чтобы избежать этого, был приглашен местный хирург для осмотра компонента с помощью эндоскопа . [40] Хирург Татьяна Зыкова [41] обнаружила, что в трубке застряли два куска феррита , и смогла удалить их оба. Инженеры смогли помочь снять вторую с помощью магнита . [40] Было установлено, что феррит образовался из-за поглощающей нагрузки, установленной глубоко внутри антенны, что должно было улучшить ее характеристики. Часть феррита (оставшаяся часть этой нагрузки) была удалена изнутри основания антенны, чтобы предотвратить дальнейшее попадание мусора в волновод. [40]
4 февраля космический корабль CryoSat-2 был заправлен топливом для запуска. Затем, 10 февраля, он был прикреплен к адаптеру полезной нагрузки и заключен в обтекатель полезной нагрузки [42] , образуя блок, известный как модуль космической головки . [39] Он был доставлен на стартовую площадку с помощью транспортного средства, известного как « Крокодил» , и установлен на ракете-носителе. [43] Развертывание произошло 15 февраля, а на следующий день спутник был активирован для проверки его систем после интеграции в ракету. [42]
Когда космический корабль был установлен на Днепре, запуск должен был состояться 25 февраля в 13:57 UTC. [44] До этого обратный отсчет тренировок был запланирован на 19 февраля. [43] За несколько часов до запланированного начала тренировки МКК «Космотрас» объявил, что запуск был отложен, в результате чего тренировка не состоялась. [42] Задержка была вызвана опасениями, что маневровые двигатели второй ступени не имеют достаточного количества резервного топлива. [45]
После задержки космический головной модуль был снят с ракеты и 22 февраля вернулся в здание сборки. [42] Пока космический корабль находился в здании интеграции, проводились ежедневные проверки, чтобы убедиться, что космический корабль все еще функционирует нормально. После решения проблемы с топливом запуск был перенесен на 8 апреля, и пусковые операции возобновились. [46] 1 апреля космический головной модуль был возвращен в шахту и повторно установлен на вершине Днепра. После комплексных испытаний 6 апреля успешно был проведен обратный отсчет тренировок. [47]
CryoSat-2 был запущен в 13:57:04 UTC 8 апреля 2010 года. [1] После успешного запуска [48] CryoSat-2 отделился от верхней ступени «Днепра» на низкую околоземную орбиту . Первые сигналы со спутника были обнаружены наземной станцией Космического центра Броглио в Малинди, Кения , через семнадцать минут после запуска. [49]
Основной полезной нагрузкой на борту CryoSat-2 является интерферометрический радиолокационный высотомер SAR (SIRAL), работающий в Ku-диапазоне (13,6 ГГц). [50] В отличие от оригинального CryoSat, на борту CryoSat-2 установлены два прибора SIRAL, один из которых служит резервным на случай отказа другого. [25] Прибор сочетает в себе радиовысотомер с ограниченным импульсом и вторую антенну с синтезированной апертурой и интерферометрической обработкой сигнала. [51] SIRAL имеет полосу пропускания импульсов 320 МГц. [51] Прибор работает в трех режимах в зависимости от типа измеряемой поверхности; режим низкого разрешения, режим радара с синтезированной апертурой (SAR) и интерферометрический режим SAR (SARIn). [51] Режим низкого разрешения используется над недрами ледникового покрова и океанами, режим SAR используется над морским льдом и возможными океанографическими районами, а SARIn используется вокруг границ ледникового покрова и горных ледников. [51]
Режим низкого разрешения работает в обычном режиме с ограничением импульсов; площадь поверхности, видимая прибором, ограничена длиной радиолокационного импульса, передаваемого высотомером. [51] Одна антенна передает и принимает радиолокационный сигнал. [8] Этот режим обеспечивает некоррелированность возвращающихся эхо-сигналов. [8]
Зона действия режима низкого разрешения составляет примерно 1,7 км. [8] Частота повторения импульсов в этом режиме составляет 1,97 кГц. [51]
В режиме SAR SIRAL излучает пакет из 64 импульсов, разделенных на узкие продольные лучи за счет использования эффекта Доплера . [10] Ширина каждой полосы составляет около 250 м, а интервал между всплесками означает, что каждое местоположение на земле измеряется несколько раз, что повышает точность. [51]
Зона действия SAR составляет примерно 0,31 км вдоль пути и 1,67 км поперек пути. [52] Частота повторения импульсов в этом режиме составляет 18,181 кГц. [51]
В режиме SARIn две антенны используются для учета наклона поверхности. [51] Две антенны, установленные на расстоянии 1 м друг от друга, принимают эхо почти одновременно. [51] Если отраженный сигнал возвращается из надира , то можно измерить угол между базовой линией и направлением эхо-сигнала, таким образом оценивая уклон поверхности. [8]
Интеграция доплеровской орбиты и радиопозиционирования (DORIS) — второй инструмент на CryoSat-2, который точно рассчитывает орбиту космического корабля. [53] На борту космического корабля также имеется набор ретрорефлекторов , которые позволяют проводить измерения с земли для проверки орбитальных данных, предоставленных DORIS. [53] [54]
После запуска CryoSat-2 был выведен на низкую околоземную орбиту с перигеем 720 километров (450 миль), апогеем 732 километра (455 миль), наклонением 92 градуса и периодом обращения 99,2 минуты. [55] Его масса при запуске составляла 750 килограммов (1650 фунтов), [30] и срок его службы превысил ожидаемый срок в три года. [54]
Операции по запуску и раннему этапу орбиты были завершены утром 11 апреля 2010 года, а SIRAL был активирован позже в тот же день. [56] В 14:40 UTC космический корабль передал первые научные данные. [57] Первоначальные данные о толщине льда были представлены ведущим исследователем миссии Дунканом Уингэмом на симпозиуме «Живая планета» 2010 года 1 июля. [58] Позже в том же месяце данные были впервые предоставлены ученым. [59] Космический корабль прошел шесть месяцев на орбитальных испытаниях и вводе в эксплуатацию, которые завершились проверкой 22 октября 2010 года, которая показала, что космический корабль работает, как ожидалось, и что он готов к началу эксплуатации. [60]
Фаза эксплуатации миссии началась 26 октября 2010 года под руководством Томмазо Парринелло, который в настоящее время является руководителем миссии.
CryoSat успешно достиг своих целей после запуска CryoSat-2. [61]
Оценки толщины морского льда были произведены Центром полярных наблюдений и моделирования , Институтом Альфреда Вегенера ( Институт полярных и морских исследований Альфреда Вегенера ), а также Лабораторией реактивного движения НАСА и Центром космических полетов Годдарда . [10] [62] [52] [63] Данные о толщине арктического морского льда доступны для просмотра и загрузки в Центре полярных наблюдений и моделирования. [64]
Проведены работы по продлению рекорда толщины морского льда на летний период (май-сентябрь). Из-за присутствия талых прудов на арктическом морском льду летом было сложно различить отражения волн в морском льду и морской воде. [8] В 2022 году с помощью нейронной сети были получены данные о летнем морском льду в Арктике, но было признано, что необходимо провести дополнительную работу для устранения источников неопределенности в оценках. [65]
Данные CryoSat-2 показали наличие 25 000 подводных гор , и по мере интерпретации данных их будет еще больше. [66] [67] [68] [69]
С самого начала программы CryoSat было ясно, что потребуется обширная серия измерений, как для понимания взаимодействия радиолокационных волн с поверхностью ледяных шапок, так и для связи измеренного надводного борта плавучего морского льда с его толщиной. Последнее, в частности, должно будет учитывать снеговую нагрузку. Для морского льда, который движется под действием ветра, также необходимо было разработать методы, которые могли бы давать последовательные результаты при измерении с платформ, движущихся с различной скоростью (ученые на поверхности, буксируемые вертолетами зонды, бортовые радары и сам КриоСат). В рамках программы CRYOVEX [28] был проведен ряд кампаний , направленных на устранение каждой из выявленных областей неопределенности. Эти кампании продолжались во время разработки оригинального CryoSat и планировалось продолжить после его запуска.
После объявления о строительстве CryoSat-2 программа CRYOVEX была расширена. В Антарктиде проводились эксперименты, чтобы определить, как снег может повлиять на его показания, и предоставить данные для калибровки спутника. [70] В январе 2007 года Европейское космическое агентство опубликовало запрос предложений на дальнейшие эксперименты по калибровке и проверке. [71] Дальнейшие эксперименты CryoVEx были проведены на Шпицбергене в 2007 году, [72] после чего последовала заключительная экспедиция в Гренландию и на ледниковую шапку Девона в 2008 году. [73] Дополнительные измерения снега были предоставлены экспедицией Арктической дуги и Институтом Альфреда Вегенера. Бортовой прибор с синтезированной апертурой и интерферометрической радиолокационной высотомерной системой (ASIRAS), установленный на борту самолета Dornier 228 . [72]