Psyche ( / ˈ s aɪ k i / SY -kee ) — космическая миссия программы NASA, запущенная 13 октября 2023 года для исследования происхождения планетных ядер путём обращения вокруг металлического астероида 16 Psyche и его изучения , начиная с 2029 года. [8] Проектом управляет Лаборатория реактивного движения NASA(JPL).
Космический корабль не приземлится на астероид, но будет вращаться вокруг него с августа 2029 года до конца 2031 года. Psyche использует работающие на солнечной энергии двигатели Холла для движения и орбитального маневрирования, первый межпланетный космический корабль, использующий эту технологию. Это также первая миссия, использующая лазерную оптическую связь за пределами системы Земля-Луна.
Астероид 16 Психея — самый тяжёлый из известных астероидов М-типа , и, возможно, представляет собой обнажённое железное ядро протопланеты , остаток сильного столкновения с другим объектом, в результате которого с неё сошла мантия и кора . 4 января 2017 года миссия Психея была выбрана для миссии NASA Discovery #14. [9] Она была запущена с помощью ракеты SpaceX Falcon Heavy . [10]
Psyche был представлен Линди Элкинс-Тантон , главным исследователем в Университете штата Аризона, в рамках конкурса заявок для программы NASA Discovery , который был закрыт в феврале 2015 года. Он был включен в шорт-лист 30 сентября 2015 года как один из пяти финалистов и награжден 3 миллионами долларов США на дальнейшую разработку концепции. [8] [11]
4 января 2017 года Psyche был выбран для 14-й миссии Discovery, запуск которой был назначен на 2023 год. [12] В мае 2017 года дата запуска была перенесена для выбора более эффективной траектории на июль 2022 года на борту ракеты-носителя SpaceX Falcon Heavy с прибытием 31 января 2026 года после гравитационного маневра на Марсе 23 мая 2023 года. [13]
В июне 2022 года НАСА обнаружило, что задержка с поставкой испытательного оборудования и программного обеспечения для управления, навигации и контроля (GNC) для космического корабля Psyche не дала им достаточно времени для завершения необходимых испытаний, и решило отложить запуск, оставив будущие окна в 2023 и 2024 годах для встречи с астероидом в 2029 и 2030 годах соответственно. [14] [15]
28 октября 2022 года НАСА объявило, что запуск Psyche запланирован на 10 октября 2023 года, что будет соответствовать прибытию к астероиду в августе 2029 года. [1]
Независимый обзор задержек в JPL, опубликованный в ноябре 2022 года, выявил нехватку персонала, недостаточное планирование и проблемы с коммуникацией между инженерами и руководством. Миссия VERITAS Venus была отложена, чтобы освободить персонал для сосредоточения на Psyche . [16]
18 апреля 2023 года страница миссии JPL для Psyche была обновлена, чтобы отразить новую дату запуска — 5 октября 2023 года. [17] 28 сентября 2023 года запуск был снова отложен до не ранее 12 октября 2023 года из-за неуказанной проблемы с космическим аппаратом. [18] После еще одной задержки из-за плохой погоды Psyche был успешно запущен 13 октября 2023 года. [19]
В обновлении от мая 2024 года сообщалось, что космический корабль находится в хорошем состоянии и находится на пути к завершению своей миссии в запланированные сроки, а также к запуску ксеноновых двигателей . [20]
16 Психея — самый тяжёлый из известных астероидов класса М со средним диаметром 220 километров (140 миль) и, возможно, представляет собой обнажённое железное ядро протопланеты [21] , остаток сильного столкновения с другим объектом, в результате которого астероид лишился мантии и коры .
Недавние исследования показывают, что это «смешанный металлический и силикатный мир». [22] Другое исследование рассматривает его как либо металлическое ядро протопланеты, либо как «дифференцированный мир с реголитовым составом… усеянный локализованными областями с высокой концентрацией металлов». [23] Радарные наблюдения астероида с Земли указывают на железо-никелевый состав. [24]
Исторический астероидный символ Психеи — крыло бабочки, увенчанное звездой (), возможно, повлияло на эмблему миссии. [25]
Космический корабль «Психея» спроектирован с использованием солнечной электрической силовой установки , [26] [27] , а научная полезная нагрузка включает в себя многоспектральный сканер , магнитометр и гамма-спектрометр . [27] [28]
Миссия рассчитана на выполнение 21 месяца научных исследований. Космический корабль был построен Лабораторией реактивного движения NASA (JPL) в сотрудничестве с SSL (ранее Space Systems/Loral) и Университетом штата Аризона . [1] [29]
Было предложено, что запуск ракеты может быть совместно с отдельной миссией под названием «Афина» , которая должна была выполнить один пролет астероида 2 Паллада , третьего по величине астероида в Солнечной системе . [30]
В мае 2020 года было объявлено, что Falcon Heavy, перевозящий Psyche , будет включать в себя два дополнительных малых спутника для изучения марсианской атмосферы и двойных астероидов, названных EscaPADE ( Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers ) и Janus соответственно [13] , но в сентябре 2020 года зонд для исследования атмосферы Марса EscaPADE был исключен из плана. [31]
Позднее, 18 ноября 2022 года, Янус был исключен из миссии Психеи после того, как оценка показала, что он не будет находиться на требуемой траектории для выполнения своих научных требований из-за нового периода запуска Психеи . [32]
Дифференциация является фундаментальным процессом в формировании многих астероидов и всех планет земной группы , и прямое исследование ядра может значительно улучшить понимание этого процесса. Миссия Psyche направлена на характеристику геологии 16 Psyche, ее формы, элементного состава, магнитного поля и распределения массы . Ожидается, что эта миссия расширит понимание формирования планет и их недр.
Конкретно, научные цели миссии таковы: [34]
Научные вопросы, на которые направлена эта миссия, следующие: [21] [34]
На Psyche установлены следующие полезные нагрузки:
Космический корабль использует платформу Space Systems Loral (SSL) 1300. [35] JPL добавила подсистемы управления и обработки данных , телекоммуникационные подсистемы и все программное обеспечение для полета. [35]
Космический корабль использует ионный двигатель . Он имеет четыре двигателя SPT-140, которые являются двигателями Холла, использующими солнечную электрическую тягу , где электричество, вырабатываемое солнечными батареями, передается на электрический, а не химический, ракетный двигатель. [26] [39] [40] Двигатель номиналом рассчитан на рабочую мощность 4,5 кВт, [41] но он также будет работать в течение длительного времени при мощности около 900 Вт. [39] Psyche является первой межпланетной миссией, использующей двигатели Холла, хотя и не первой, использующей электрические двигатели в целом. [42]
SPT-140 (SPT означает стационарный плазменный двигатель ) — серийная коммерческая двигательная установка [3] , которая была изобретена в СССР ОКБ «Факел» и разработана Исследовательским центром имени Гленна НАСА , Space Systems Loral и Pratt & Whitney с конца 1980-х годов. [43] [44] Двигатель SPT-140 был впервые испытан в США в Лаборатории плазмодинамики и электродвижения в 1997 году, [45] а затем в 2002 году как установка мощностью 3,5 кВт в рамках программы ВВС по комплексным высокоэффективным ракетным двигателям. [41] [3]
Использование солнечных электрических двигателей позволит космическому кораблю достичь 16 Psyche (расположенной в 3,3 астрономических единицах от Земли) гораздо быстрее, при этом потребляя менее 10% топлива, которое потребовалось бы при использовании обычного химического двигателя. [46]
Электричество будет вырабатываться двусторонними солнечными панелями в форме буквы X, с пятью панелями с каждой стороны. До того, как миссия была переведена на новую траекторию, панели должны были быть расположены по прямым линиям, всего с четырьмя панелями с каждой стороны космического корабля. [47]
Космический корабль также испытает экспериментальную технологию лазерной связи под названием Deep Space Optical Communications (DSOC). [50] Ожидается, что устройство увеличит производительность и эффективность связи космического корабля в 10–100 раз по сравнению с обычными средствами. [50] [51] Эксперимент DSOC является первой демонстрацией оптической связи NASA за пределами системы Земля-Луна. DSOC — это система, состоящая из полетного лазерного приемопередатчика, наземного лазерного передатчика и наземного лазерного приемника. В каждом из этих элементов были реализованы новые технологии. Приемопередатчик установлен на космическом корабле Psyche . Демонстрация технологии DSOC начнется вскоре после запуска и продолжится, пока космический корабль будет путешествовать с Земли к своему гравитационному пролету над Марсом. DSOC продемонстрирует свои возможности, отправляя данные со скоростью до 2 мегабит в секунду с расстояний за пределами орбиты Марса. [52] Эксплуатация DSOC запланирована на один год после запуска, с оценкой возможностей продленной миссии. Телескоп Хейла Паломарской обсерватории будет получать высокоскоростную передачу данных с бортового приемопередатчика DSOC. [53] [54]
Программа Discovery предложила проектам миссий дополнительно 30 миллионов долларов, если они разместят и испытают 25-килограммовый (55 фунтов) блок DSOC, которому требуется около 75 Вт. [55] Ожидается, что DSOC будет доведен до уровня технологической готовности 6. [54] Тестовые запуски лазерного оборудования планируется проводить на расстояниях от 0,1 до 2,5 астрономических единиц (а.е.) на внешнем зонде. [54] Первое успешное испытание системы состоялось 11 декабря 2023 года, когда видео с кошкой сотрудника, играющей с лазерной указкой, было передано обратно на Землю с расстояния 31 миллион километров. Видеосигналу потребовалось 101 секунда, чтобы достичь Земли, при этом максимальная скорость передачи данных системы составляла 267 мегабит в секунду (Мбит/с). Ночью 4 декабря проект продемонстрировал скорость передачи данных по нисходящей линии связи 62,5 Мбит/с, 100 Мбит/с и 267 Мбит/с, что сопоставимо со скоростью загрузки широкополосного интернета. За это время команде удалось загрузить в общей сложности 1,3 терабита данных. Для сравнения, миссия NASA Magellan на Венеру передала 1,2 терабита за всю свою миссию с 1990 по 1994 год. [48] Во время испытания 8 апреля 2024 года космический аппарат передавал данные с максимальной скоростью 25 Мбит/с. Целью проекта было доказать, что на расстоянии 226 миллионов километров (1,51 а.е.) возможна скорость не менее 1 Мбит/с. [56]
Лазерный передатчик полета DSOC оснащен лазерным передатчиком ближнего инфракрасного диапазона для отправки высокоскоростных данных на наземную систему и чувствительной камерой подсчета фотонов для приема лазера, передаваемого с земли. 8,6-дюймовый (22-сантиметровый) апертурный телескоп передатчика установлен на сборке стоек и приводов, которая стабилизирует оптику от вибраций космического корабля. Аппаратура полета оснащена солнцезащитным козырьком и выступает из боковой части космического корабля, что делает ее одной из легко идентифицируемых особенностей Психеи . [53]
Мощный лазерный передатчик ближнего инфракрасного диапазона на объекте JPL Table Mountain около Райтвуда, Калифорния, действует как восходящая линия связи, передавая модулированный лазерный луч на бортовой приемопередатчик, чтобы продемонстрировать передачу низкоскоростных данных. Лазер восходящей линии связи также действует как маяк для бортового приемопередатчика, чтобы захватить его. Данные нисходящей линии связи, отправленные обратно приемопередатчиком DSOC на Psyche, собираются 200-дюймовым (5,1-метровым) телескопом Хейла в Паломарской обсерватории Калифорнийского технологического института в округе Сан-Диего, Калифорния, с использованием чувствительного сверхпроводящего нанопроводного приемника подсчета фотонов, чтобы продемонстрировать высокоскоростную передачу данных. [53]
Период запуска Psyche начался 5 октября 2023 года с мгновенными окнами запуска каждый день до 25 октября. [57] 28 сентября НАСА объявило, что запуск будет отложен на неделю из-за проблем, обнаруженных в двигателях космического корабля, перенеся дату запуска с 5 октября на 12 октября. [58] Запуск был отложен еще на один день до 13 октября из-за плохой погоды. [59]
Psyche был запущен 13 октября 2023 года в 10:19 утра по восточному поясному времени на ракете Falcon Heavy со стартовой площадки 39A в Космическом центре Кеннеди . [60] [19] [17] [5] Это был восьмой запуск Falcon Heavy и первый для NASA. Два боковых ускорителя, использовавшихся в миссии, совершили свой четвертый полет; они приземлились на мысе Канаверал через несколько минут после старта, чтобы быть повторно использованными в будущих полетах, включая запуск Europa Clipper в 2024 году. Основная ступень ракеты была израсходована. Космический корабль Psyche был отделен от верхней ступени ракеты примерно через час после старта. [61] [62] Сигнал несущей волны от космического корабля был получен наземными диспетчерами сразу после разделения, предоставляя информацию о состоянии космического корабля до развертывания солнечной батареи. [63] Полная связь с космическим кораблем была установлена в 11:50 утра по восточному поясному времени. Затем космический корабль приступил к 100-дневной фазе ввода в эксплуатацию, в ходе которой все системы и приборы проверяются и калибруются. [60]
Стоимость запуска составила 117 миллионов долларов США. [7] Psyche проведет гравитационный маневр на Марсе в 2026 году, который позволит космическому аппарату прибыть на целевой астероид в августе 2029 года. [1]
Последовательность сближения начнется в мае 2029 года, когда будут сделаны первые навигационные изображения и измерения 16 Psyche, астероид все еще имеет ширину всего несколько пикселей. Затем космический аппарат будет использовать свою электрическую двигательную систему, чтобы занять позицию, которая позволит ему быть захваченным гравитацией астероида, что, как ожидается, произойдет в конце июля 2029 года. В этот момент будут сделаны первые крупные планы 16 Psyche, при этом астероид будет иметь ширину около 500 пикселей. В течение следующих 20 дней космический аппарат будет маневрировать, чтобы выйти на первую из четырех научных орбит. [57]
Psyche должен выйти на орбиту около 16 Psyche в августе 2029 года. [1] Космический корабль будет вращаться вокруг астероида на четырех разных высотах, которые названы в алфавитном порядке от самой высокой (A) до самой низкой (D). В первоначальном плане миссии космический корабль должен был последовательно проходить орбиты от самой высокой к самой низкой. [42] После задержки запуска в 2022 году план миссии был обновлен, чтобы отразить новую дату прибытия в 2029 году, что означало, что космический корабль прибудет к астероиду в другой точке своей орбиты вокруг Солнца. В новом плане миссии Psyche сначала выйдет на орбиту A, затем спустится на орбиту B1, затем на орбиту D, вернется на орбиту C и, наконец, переместится на орбиту B2 (вторая часть орбиты B). Эта переделка гарантирует, что поверхность астероида будет правильно освещена Солнцем во время орбиты B. [64] [65]
Его первый режим, Орбита A , позволит космическому аппарату выйти на орбиту высотой 700 км (430 миль) для характеристики магнитного поля и предварительного картирования на 56 дней. Затем он спустится на Орбиту B , установленную на высоте 303 км (188 миль) на 92 дня, для топографии и характеристики магнитного поля. Затем он спустится на Орбиту D , которая является самой низкой орбитой на высоте 75 км (47 миль) и также имеет уникальный наклон, позволяющий напрямую видеть экватор астероида (по сравнению с другими орбитами, которые проходят вокруг его полюсов), на 100 дней, чтобы определить химический состав поверхности с помощью своих гамма- и нейтронных спектрометров. После этого он поднимется на Орбиту C на высоте 190 км (120 миль) на 100 дней, чтобы провести гравитационные исследования и продолжить наблюдения за магнитным полем. Наконец, орбитальный аппарат вернется на орбиту B на 100 дней, чтобы закончить картографирование части поверхности астероида, которая была в темноте во время первой части орбиты B. Он также получит непрерывную съемку, гравитационное и магнитное картографирование поля. В общей сложности, основная миссия, как ожидается, продлится 26 месяцев, заканчиваясь в ноябре 2031 года. По окончании миссии космический аппарат останется на орбите вокруг астероида. [66] [57] [42] [67]
Лазерные лучи от космического корабля будут приниматься наземным телескопом в Паломарской обсерватории в Калифорнии. [54] Лазерные лучи на космический корабль будут отправляться с меньшего телескопа в JPL Table Mountain Facility . [54]
Испытания космического корабля начались в декабре 2021 года. Эти испытания включали, но не ограничивались электромагнитными испытаниями и TVAC, или испытаниями в термовакуумной камере . Электромагнитные испытания проводились для того, чтобы гарантировать, что электронные и магнитные компоненты, из которых состоит космический корабль, не будут мешать друг другу во время выполнения миссии. Испытания TVAC проводились внутри вакуумной камеры размером 85 на 25 футов на объекте JPL в Южной Калифорнии, которая воспроизводит отсутствие воздуха в космосе. Это позволяет инженерам и ученым наблюдать воздействие космической среды на орбитальный аппарат. Внутри TVAC сотрудники JPL могут наблюдать, насколько хорошо космический корабль реагирует на суровые условия. Без воздуха, окружающего космический корабль, нагрев и охлаждение устройства ухудшаются. Космический корабль будет горячим в течение нескольких часов после запуска, пока он все еще находится близко к Земле и обращен к Солнцу, особенно при работающей электронике, а позже, когда космический корабль будет удаляться от Солнца, он столкнется с сильным холодом, особенно при полете в тени 16 Психеи. Вибрационные испытания космического корабля учеными и инженерами гарантируют, что он сможет выдержать экстремальные условия запуска ракеты. Они также провели ударные испытания, чтобы убедиться, что космический корабль сможет выдержать удар отделения от второй ступени ракеты. Наконец, они провели акустические испытания корабля. Звук запуска может быть настолько сильным, что может повредить оборудование, поэтому были проведены интенсивные акустические испытания, чтобы гарантировать успешность миссии. [68]