Космический аппарат «Магеллан» был 1035-килограммовым (2282 фунта) роботизированным космическим зондом, запущенным НАСА 4 мая 1989 года. Целями его миссии были картографирование поверхности Венеры с помощью радара с синтезированной апертурой и измерение гравитационного поля планеты . [2]
Зонд Magellan был первой межпланетной миссией, запущенной с космического челнока , первой, использовавшей инерциальный разгонный блок, и первым космическим аппаратом, испытавшим аэроторможение как метод круговой орбиты. Magellan был пятой успешной миссией NASA к Венере, и он положил конец одиннадцатилетнему перерыву в запусках межпланетных зондов США.
Начиная с конца 1970-х годов ученые выступали за миссию по радиолокационному картированию Венеры. Сначала они пытались построить космический аппарат под названием Venus Orbiting Imaging Radar (VOIR), но в последующие годы стало ясно, что миссия выйдет за рамки бюджетных ограничений. Миссия VOIR была отменена в 1982 году.
Комитет по исследованию Солнечной системы рекомендовал упрощенное предложение по миссии радара, и оно было представлено и принято в качестве программы Venus Radar Mapper в 1983 году. Предложение включало ограниченную направленность и один основной научный инструмент. В 1985 году миссия была переименована в Magellan , в честь португальского исследователя шестнадцатого века Фердинанда Магеллана , известного своими исследованиями, картографированием и кругосветным плаванием вокруг Земли. [3] [4] [5]
Цели миссии включали: [6]
Космический корабль был спроектирован и построен компанией Martin Marietta Company [7] , а Лаборатория реактивного движения (JPL) руководила миссией для NASA. Элизабет Бейер была менеджером программы, а Джозеф Бойс был ведущим научным сотрудником программы в штаб-квартире NASA. В JPL Дуглас Гриффит был менеджером проекта Magellan , а Р. Стивен Сондерс был ведущим научным сотрудником проекта [3] . Группа по космосу и коммуникациям компании Hughes Aircraft Company спроектировала и построила радиолокатор с синтезированной апертурой для космического корабля. [8]
Для экономии средств большая часть зонда «Магеллан» была изготовлена из запасных частей для полета и повторно использованных элементов конструкции других космических аппаратов: [9]
Основной корпус космического корабля, запасной от миссий Voyager, представлял собой 10-сторонний алюминиевый автобус , содержащий компьютеры, регистраторы данных и другие подсистемы. Космический корабль имел размеры 6,4 метра в высоту и 4,6 метра в диаметре. В целом, космический корабль весил 3445 килограммов. [1]
Система управления ориентацией космического корабля была спроектирована так, чтобы быть стабилизированной по трем осям, в том числе во время запуска твердотопливного ракетного двигателя (SRM) Star 48B , который использовался для вывода его на орбиту вокруг Венеры. До Magellan все запуски SRM космических кораблей включали вращение космического корабля, что значительно упрощало управление SRM. В типичном режиме вращения любые нежелательные силы, связанные с SRM или несоосностью сопел, нейтрализуются. В случае Magellan конструкция космического корабля не подходила для вращения, поэтому полученная конструкция двигательной установки должна была учитывать сложные проблемы управления с большим SRM Star 48B. Star 48B, содержащий 2014 кг твердого топлива, развивал тягу ~89 кН (20 000 фунтов силы) вскоре после запуска; поэтому даже ошибка выравнивания SRM в 0,5% могла генерировать боковые силы в 445 Н (100 фунтов силы). Окончательные консервативные оценки наихудшего варианта боковых сил привели к необходимости восьми двигателей мощностью 445 Н, по два в каждом квадранте, расположенных на штангах на максимальном радиусе, который может вместить грузовой отсек космического челнока (диаметр 4,4 м или 14,5 футов). [10]
Фактическая конструкция двигательной установки состояла из 24 двигателей на монотопливе с гидразином, питаемых от одного титанового бака диаметром 71 см (28 дюймов). Бак содержал 133 кг (293 фунта) очищенного гидразина. Конструкция также включала пиротехнически изолированный внешний бак высокого давления с дополнительным гелием, который мог быть подключен к основному баку до критического включения орбиты Венеры, чтобы обеспечить максимальную тягу от двигателей 445 Н во время срабатывания SRM. Другое оборудование, касающееся ориентации космического корабля, состоит из набора гироскопов и звездного сканера . [4] [5] [11] [12]
Для связи космический аппарат включал легкую графитовую/алюминиевую 3,7-метровую антенну с высоким коэффициентом усиления, оставшуюся от программы Voyager, и запасную антенну со средним коэффициентом усиления от миссии Mariner 9. Антенна с низким коэффициентом усиления, прикрепленная к антенне с высоким коэффициентом усиления, также была включена на случай непредвиденных обстоятельств. При связи с Deep Space Network космический аппарат мог одновременно принимать команды со скоростью 1,2 килобит /секунду в S-диапазоне и передавать данные со скоростью 268,8 килобит/секунду в X-диапазоне . [4] [5] [11] [12]
Magellan был оснащен двумя квадратными солнечными батареями , каждая из которых имела размер 2,5 метра в поперечнике. Вместе батареи обеспечивали 1200 Вт мощности в начале миссии. Однако в ходе миссии солнечные батареи постепенно деградировали из-за частых, экстремальных перепадов температур. Для питания космического корабля, когда он был скрыт от Солнца, были включены две никель-кадмиевые батареи емкостью 30 ампер-часов, 26-элементные . Батареи перезаряжались, когда космический корабль получал прямой солнечный свет. [4] [11]
Вычислительная система на космическом корабле была частично модифицированным оборудованием от Galileo . Было два компьютера ATAC-16, образующих одну избыточную систему, расположенную в подсистеме управления ориентацией, и четыре микропроцессора RCA 1802 , как две избыточные системы, для управления подсистемой команд и данных (CDS). CDS могла хранить команды до трех дней, а также автономно управлять космическим кораблем, если возникали проблемы, когда операторы миссии не были на связи с космическим кораблем. [9]
Для хранения команд и записанных данных космический аппарат также включал два многодорожечных цифровых магнитофона , способных хранить до 225 мегабайт данных до тех пор, пока не будет восстановлена связь с Землей и записи не будут воспроизведены. [4] [11] [12]
Плотная и непрозрачная атмосфера Венеры требовала метода, выходящего за рамки оптического обзора, для картирования поверхности планеты. Разрешение обычного радара полностью зависит от размера антенны, который сильно ограничен затратами, физическими ограничениями ракет-носителей и сложностью маневрирования большого аппарата для предоставления данных с высоким разрешением. Magellan решил эту проблему, используя метод, известный как синтетическая апертура , где большая антенна имитируется путем обработки информации, собранной наземными компьютерами. [13] [14]
Параболическая антенна Magellan с высоким коэффициентом усиления , ориентированная на 28°–78° вправо или влево от надира , излучала тысячи микроволновых импульсов в секунду, которые проходили через облака и достигали поверхности Венеры, освещая полосу земли. Затем радиолокационная система регистрировала яркость каждого импульса, отражавшегося от боковых поверхностей скал, скал, вулканов и других геологических объектов, как форму обратного рассеяния . Чтобы увеличить разрешение изображения, Magellan записал серию пакетов данных для определенного места в течение нескольких случаев, называемых «взглядами». Каждый «взгляд» слегка перекрывал предыдущий, возвращая немного другую информацию для того же места, когда космический корабль двигался по орбите. После передачи данных обратно на Землю использовалось доплеровское моделирование, чтобы взять перекрывающиеся «взгляды» и объединить их в непрерывное изображение поверхности с высоким разрешением. [13] [14] [15]
Радарная система работала в трех режимах: радиолокатор с синтезированной апертурой (SAR), альтиметрия (ALT) и радиометрия (RAD). Прибор переключался между тремя режимами, наблюдая за геологией поверхности, топографией и температурой Венеры, используя 3,7-метровую параболическую антенну с высоким коэффициентом усиления и небольшую веерную антенну , расположенную сбоку.
– В режиме Synthetic Aperture Radar прибор передавал несколько тысяч длинноволновых 12,6-сантиметровых микроволновых импульсов каждую секунду через антенну с высоким коэффициентом усиления, измеряя при этом доплеровский сдвиг каждого удара о поверхность. – В режиме Altimetry прибор чередовал импульсы с SAR и, работая аналогично с антенной альтиметрии, регистрировал информацию о высоте поверхности Венеры. – В режиме Radiometry антенна с высоким коэффициентом усиления использовалась для регистрации микроволнового радиотеплового излучения Венеры. Эти данные использовались для характеристики температуры поверхности.
Данные собирались со скоростью 750 килобит в секунду на магнитофон и затем передавались на Землю (10 бит в секунду*365*4*24*60=21 Мбит (максимум) = 85 фото (максимум)) для преобразования в пригодные для использования изображения с помощью Подсистемы обработки радиолокационных данных (RDPS), набора наземных компьютеров, управляемых JPL. [13] [16] [17] [18]
В дополнение к данным радара, Магеллан собрал несколько других типов научных измерений. Они включали подробные измерения гравитационного поля Венеры, [19] измерения плотности атмосферы и данные радиозатмения атмосферного профиля.
Magellan был запущен 4 мая 1989 года в 18:46:59 UTC Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства с пускового комплекса KSC 39B в Космическом центре Кеннеди во Флориде на борту космического челнока Atlantis во время миссии STS-30 . Оказавшись на орбите, Magellan и прикрепленный к нему инерциальный разгонный блок были развернуты с Atlantis и запущены 5 мая 1989 года в 01:06:00 UTC, отправив космический корабль на гелиоцентрическую орбиту типа IV , где он должен был обогнуть Солнце 1,5 раза, прежде чем достичь Венеры 15 месяцев спустя, 10 августа 1990 года. [5] [11] [12]
Первоначально запуск Magellan планировался на 1988 год с траекторией продолжительностью шесть месяцев. Однако из-за катастрофы космического челнока Challenger в 1986 году несколько миссий, включая Galileo и Magellan , были отложены до возобновления полетов шаттлов в сентябре 1988 года. Magellan планировалось запустить с помощью жидкотопливного ускорителя Centaur G верхней ступени, перевозимого в грузовом отсеке космического челнока. Однако вся программа Centaur G была отменена после катастрофы Challenger , и зонд Magellan пришлось модифицировать, чтобы прикрепить его к менее мощной инерциальной верхней ступени . Следующая лучшая возможность для запуска появилась в октябре 1989 года. [5] [11]
Однако запуск еще больше осложнил запуск миссии Galileo к Юпитеру, которая включала пролет Венеры. Запуск планировался на 1986 год, но давление, чтобы обеспечить запуск Galileo в 1989 году, в сочетании с коротким окном запуска, требующим запуска в середине октября, привело к перепланированию миссии Magellan . Опасаясь быстрых запусков шаттлов, было принято решение запустить Magellan в мае и на орбиту, которая потребовала бы один год и три месяца, прежде чем встретиться с Венерой. [5] [11]
10 августа 1990 года «Магеллан» столкнулся с Венерой и начал маневр вывода на орбиту, в результате которого космический аппарат вышел на трехчасовую, девятиминутную эллиптическую орбиту, которая вывела космический аппарат на расстояние 295 километров от поверхности примерно в 10 градусах северной широты во время перицентра и на высоту 7762 километра во время апоцентра . [11] [12]
Во время каждого витка космический зонд захватывал радиолокационные данные, когда космический аппарат находился ближе всего к поверхности, а затем передавал их обратно на Землю, удаляясь от Венеры. Этот маневр потребовал активного использования реактивных колес для вращения космического аппарата, пока он снимал поверхность в течение 37 минут и когда он был направлен на Землю в течение двух часов. Основная миссия заключалась в том, чтобы космический аппарат возвращал изображения не менее 70 процентов поверхности в течение одного венерианского дня, который длится 243 земных дня, поскольку планета медленно вращается. Чтобы избежать чрезмерно избыточных данных на самых высоких и самых низких широтах, зонд Magellan чередовал северную полосу , регион, обозначенный как 90 градусов северной широты - 54 градуса южной широты, и южную полосу , обозначенную как 76 градусов северной широты - 68 градусов южной широты. Однако из-за того, что перицентр находится на 10 градусов севернее экваториальной линии, получение изображений региона Южного полюса было маловероятным. [11] [12]
Основная миссия началась 15 сентября 1990 года с намерением предоставить «левостороннюю» карту 70% поверхности Венеры с минимальным разрешением 1 километр/ пиксель . Во время цикла 1 высота космического корабля варьировалась от 2000 километров на северном полюсе до 290 километров вблизи перицентра. После завершения 15 мая 1991 года, совершив 1792 витка, Magellan нанес на карту приблизительно 83,7% поверхности с разрешением от 101 до 250 метров/пиксель. [12] [21]
Начиная сразу после окончания цикла 1, цикл 2 был призван предоставить данные для существующих пробелов в карте, собранной во время первого цикла, включая большую часть южного полушария. Для этого Magellan пришлось переориентировать, изменив метод сбора на «правосторонний». После завершения в середине января 1992 года цикл 2 предоставил данные для 54,5% поверхности, и в сочетании с предыдущим циклом можно было построить карту, содержащую 96% поверхности. [12] [21]
Сразу после цикла 2, цикл 3 начал собирать данные для стереоизображения поверхности, которые позже позволили наземной команде построить четкие трехмерные визуализации поверхности. Примерно 21,3% поверхности было отображено в стерео к концу цикла 13 сентября 1992 года, увеличив общее покрытие поверхности до 98%. [12] [21]
После завершения цикла 3 Magellan прекратил съемку поверхности. Вместо этого, начиная с середины сентября 1992 года, Magellan продолжал направлять антенну с высоким коэффициентом усиления на Землю, где Deep Space Network начала записывать постоянный поток телеметрии. Этот постоянный сигнал позволил DSN собирать информацию о гравитационном поле Венеры, отслеживая скорость космического корабля. Области с более высокой гравитацией немного увеличивали скорость космического корабля, что регистрировалось как доплеровский сдвиг в сигнале. Космический корабль совершил 1878 витков до завершения цикла 23 мая 1993 года; потеря данных в начале цикла потребовала дополнительных 10 дней гравитационного исследования. [12] [21]
В конце четвертого цикла в мае 1993 года орбита Магеллана была закруглена с использованием техники, известной как аэроторможение . Закругленная орбита позволила получить гораздо более высокое разрешение гравиметрических данных, когда цикл 5 начался 3 августа 1993 года. Космический аппарат выполнил 2855 орбит и предоставил высокоразрешающие гравиметрические данные для 94% планеты до окончания цикла 29 августа 1994 года. [4] [5] [12] [21]
Аэроторможение долго искали как метод замедления орбиты межпланетных космических кораблей. Предыдущие предложения включали необходимость в аэрооболочках , которые оказались слишком сложными и дорогими для большинства миссий. Тестируя новый подход к методу, был разработан план снижения орбиты Магеллана в самую внешнюю область венерианской атмосферы . Небольшое трение на космическом корабле замедлило скорость в течение периода, немного больше двух месяцев, выведя космический корабль на приблизительно круговую орбиту с высотой периапсида 180 км и высотой апоапсида 540 км, с высоты апоапсида 8467 км. [23] С тех пор этот метод широко использовался в более поздних межпланетных миссиях. [12] [21]
Шестой и последний орбитальный цикл был еще одним расширением двух предыдущих гравиметрических исследований. Ближе к концу цикла был проведен последний эксперимент, известный как эксперимент «Ветряная мельница», чтобы предоставить данные о составе верхней атмосферы Венеры. Магеллан выполнил 1783 орбиты до конца цикла 13 октября 1994 года, когда космический аппарат вошел в атмосферу и распался. [12]
В сентябре 1994 года орбита Магеллана была понижена, чтобы начать «эксперимент с ветряной мельницей». Во время эксперимента космический корабль был ориентирован с солнечными батареями, в целом перпендикулярными орбитальному пути, где они могли действовать как лопасти, сталкиваясь с молекулами верхней атмосферы Венеры. Противодействуя этой силе, двигатели включились, чтобы удержать космический корабль от вращения. Это дало данные о базовом взаимодействии газообразного кислорода с поверхностью. Это было полезно для понимания воздействия сил верхней атмосферы, что помогло в проектировании будущих спутников на околоземной орбите и методов аэроторможения во время будущих миссий космических кораблей к планетам. [21] [24] [25]
Magellan создал первую (и в настоящее время лучшую) радиолокационную карту поверхности планеты с высоким разрешением и почти фотографическим качеством. Предыдущие миссии на Венеру создавали радиолокационные глобусы с низким разрешением общих образований размером с континент. Однако Magellan , наконец, позволил получить подробные изображения и анализ кратеров, холмов, хребтов и других геологических образований в степени, сопоставимой с фотографическим картированием других планет в видимом свете. Глобальная радиолокационная карта Magellan в настоящее время остается самой подробной картой Венеры из существующих, хотя предстоящие зонды NASA VERITAS и Roskosmos Venera-D будут нести радар, который может достигать гораздо более высокого разрешения по сравнению с радаром, используемым Magellan . Ожидается, что оба зонда будут запущены в 2029 году.
Медиа, связанные с радиолокационными снимками Magellan на Wikimedia CommonsПроект Magellan был создан таким образом, что первоначальные изображения и данные с зонда Magellan предназначались только для использования и изучения группой главных исследователей из различных университетов и институтов, а также научной группой проекта Magellan . Эти ученые отвечали за проверку данных, внесение вклада в сбор данных космическим аппаратом и интерпретацию результатов данных для их публикации для общественности. Данные были переданы трем приглашенным советским ученым (Александру Базилевскому, Эффаиму Акиму и Александру Захарову), что было первым и деликатным вопросом для NASA в то время, учитывая, что Холодная война только подходила к концу.
Комната Magellan Project Science стала печально известной из-за длинных полос термопечати изображений (FBIDR) вдоль стен просторной комнаты. Это была первая форма, в которой изображение поверхности Венеры было получено благодаря длинным узким полосам, полученным космическим аппаратом. Среди важных гостей во время работы миссии была Маргарет Тэтчер .
После первоначального этапа расследования полный набор данных Magellan был опубликован для всеобщего ознакомления.
Научная группа проекта «Магеллан» состояла из доктора Р. Стивена Сондерса, научного руководителя проекта; доктора Эллен Стофан , заместителя научного руководителя проекта; научных сотрудников Тима Паркера, доктора Джеффа Плаута и Аннет де Шарон; а также научного помощника проекта Грегори Майклса.
В научной работе миссии принимали участие и другие ученые проекта «Магеллан», в том числе главные исследователи и трое приглашенных советских ученых.
9 сентября 1994 года в пресс-релизе было изложено о завершении миссии Magellan . Из-за ухудшения выходной мощности солнечных батарей и бортовых компонентов, а также успешного выполнения всех задач, миссия должна была завершиться в середине октября. Последовательность завершения началась в конце августа 1994 года с серии орбитальных маневров подстройки, которые опустили космический корабль в самые внешние слои венерианской атмосферы, чтобы позволить начать эксперимент Windmill 6 сентября 1994 года. Эксперимент продолжался две недели и сопровождался последующими орбитальными маневрами подстройки, еще больше снизив высоту космического корабля для финальной фазы завершения. [24]
11 октября 1994 года, двигаясь со скоростью 7 километров в секунду, был выполнен последний орбитальный маневр, в результате которого космический аппарат оказался на высоте 139,7 километров над поверхностью, в пределах атмосферы. На этой высоте космический аппарат столкнулся с достаточным давлением лобового сопротивления, чтобы поднять температуру солнечных батарей до 126 ° C. [ 20] [26]
13 октября 1994 года в 10:05:00 UTC связь была потеряна, когда космический корабль вошел в радиопокрытие за Венерой. Команда продолжала прослушивать другой сигнал от космического корабля до 18:00:00 UTC, когда было решено, что миссия завершена. Хотя ожидалось, что большая часть Магеллана испарится из-за атмосферных напряжений, считается, что некоторое количество обломков достигло поверхности к 20:00:00 UTC. [20] [21]
Связь с космическим аппаратом Magellan была потеряна рано утром в среду после агрессивной серии из пяти маневров Orbit Trim Maneuvers (OTM) во вторник, 11 октября, которые опустили орбиту в верхние слои атмосферы Венеры. Ожидалось, что проект Termination Experiment (продолжение сентябрьского эксперимента «Windmill») приведет к окончательной потере космического аппарата из-за отрицательного запаса мощности. Это не было проблемой, поскольку мощность космического аппарата была бы слишком низкой для поддержания работы в течение следующих нескольких недель из-за продолжающейся потери солнечных батарей.
Таким образом, был разработан финальный контролируемый эксперимент для максимизации возвращения миссии. Эта финальная низкая высота была необходима для изучения эффектов атмосферы углекислого газа.
Финальный OTM поднял перицентр на 139,7 км (86,8 миль), где ощутимое сопротивление космического корабля было очень очевидным. Температура солнечных панелей поднялась до 126 градусов по Цельсию, и система управления ориентацией запустила все доступные двигатели оси Y, чтобы противодействовать крутящим моментам. Однако управление ориентацией сохранялось до конца.
Напряжение на основной шине упало до 24,7 вольт после пяти орбит, и было предсказано, что управление ориентацией будет потеряно, если мощность упадет ниже 24 вольт. Было решено улучшить эксперимент Windmill, изменив углы панели для оставшихся орбит. Это также было заранее запланированным вариантом эксперимента.
На тот момент предполагалось, что космический корабль выдержит только два витка.
Magellan продолжал поддерживать связь еще три раза, хотя напряжение продолжало падать ниже 23 вольт и в конечном итоге достигло 20,4 вольт. В это время одна батарея отключилась, и космический корабль был определен как испытывающий нехватку энергии.
Связь была потеряна в 3:02 утра по тихоокеанскому времени, как раз когда Магеллан собирался войти в зону покрытия Земли на орбите 15032. Контакт не был восстановлен. Операции по отслеживанию продолжались до 11:00 утра, но сигнала не было, да его и не ожидалось. Космический корабль должен приземлиться на Венере к 1:00 дня по тихоокеанскому времени в четверг, 13 октября 1994 года.
.jpg/1280px-Atlantis_and_Magellan_(3).jpg)
