Deep Space 1 ( DS1 ) был космическим кораблем НАСА для демонстрации технологий, который пролетел мимо астероида и кометы . Это было частью программы «Новое тысячелетие» , посвященной тестированию передовых технологий.
Запущенный 24 октября 1998 года космический корабль Deep Space 1 совершил облет астероида 9969 Брайля , который был его основной научной целью. Миссия дважды продлевалась и включала встречу с кометой 19P/Боррелли и дальнейшие инженерные испытания. Проблемы на начальных этапах и со звездным трекером привели к неоднократным изменениям конфигурации миссии. Хотя пролет астероида увенчался лишь частичным успехом, встреча с кометой позволила получить ценную информацию.
Серию Deep Space продолжили зонды Deep Space 2 , которые были запущены в январе 1999 года на марсианском полярном посадочном модуле и предназначались для удара по поверхности Марса (хотя контакт был потерян, и миссия провалилась). Deep Space 1 был первым космическим кораблем НАСА, в котором использовалась ионная двигательная установка вместо традиционных ракет с химическим двигателем. [3]
Целью Deep Space 1 была разработка и проверка технологий для будущих миссий; Было протестировано 12 технологий: [4]
Система Autonav, разработанная Лабораторией реактивного движения НАСА , делает снимки известных ярких астероидов . Астероиды во внутренней части Солнечной системы движутся относительно других тел с заметной и предсказуемой скоростью. Таким образом, космический корабль может определить свое относительное положение, отслеживая такие астероиды на звездном фоне, который кажется фиксированным в таких временных масштабах. Два или более астероидов позволяют космическому кораблю триангулировать свое положение; две или более позиций во времени позволяют космическому кораблю определять свою траекторию. Существующие космические корабли отслеживаются по их взаимодействию с передатчиками сети дальнего космоса НАСА (DSN), которая по сути представляет собой инверсный GPS . Однако для отслеживания DSN требуется множество квалифицированных операторов, а DSN перегружена использованием в качестве сети связи. Использование Autonav снижает стоимость миссии и требования к DSN.
Систему Autonav можно использовать и в обратном направлении, отслеживая положение тел относительно космического корабля. Это используется для получения целей для научных инструментов. Космический корабль запрограммирован на грубое местоположение цели. После первоначального захвата Autonav удерживает объект в кадре, даже управляя ориентацией космического корабля. [5] Следующим космическим кораблем, использовавшим Autonav, был Deep Impact .
Первичная энергия для миссии была произведена с помощью новой технологии солнечных батарей — солнечной концентраторной решетки с технологией преломляющих линейных элементов (SCARLET), в которой используются линейные линзы Френеля , изготовленные из силикона, для концентрации солнечного света на солнечных элементах. [6] ABLE Engineering разработала технологию концентратора и построила солнечную батарею для DS1 совместно с Entech Inc, поставившей оптику Френеля, и Исследовательским центром НАСА имени Гленна . Мероприятие спонсировалось Организацией по защите от баллистических ракет, изначально разработанной для полезной нагрузки SSI — Conestoga 1620, METEOR. Технология концентрирующих линз была объединена с солнечными элементами с двойным переходом, которые имели значительно лучшие характеристики, чем солнечные элементы GaAs , которые были самыми современными на момент запуска миссии.
Массивы SCARLET генерировали 2,5 киловатта на расстоянии 1 а.е., при этом их размер и вес были меньшими, чем у обычных массивов.
Хотя ионные двигатели разрабатывались в НАСА с конца 1950-х годов, за исключением миссий SERT в 1960-х годах, эта технология не была продемонстрирована в полете на космических кораблях США, хотя сотни двигателей на эффекте Холла использовались на советских и космических кораблях. Российский космический корабль. Отсутствие опыта работы в космосе означало, что, несмотря на потенциальную экономию массы топлива, технология считалась слишком экспериментальной, чтобы ее можно было использовать в дорогостоящих миссиях. Более того, непредвиденные побочные эффекты движения ионов могут каким-то образом помешать типичным научным экспериментам, таким как измерения полей и частиц. Таким образом, основной задачей демонстрации Deep Space 1 было продемонстрировать длительное использование ионного двигателя в научной миссии. [7]
Электростатический ионный двигатель NASA Solar Technology Application Readiness (NSTAR) , разработанный в НАСА в Гленне, достигает удельного импульса 1000–3000 секунд. Это на порядок выше, чем традиционные методы космического движения, что приводит к экономии массы примерно вдвое. Это приводит к значительному удешевлению ракет-носителей. Хотя двигатель производит тягу всего 92 миллиньютона (0,33 унции ф ) при максимальной мощности (2100 Вт на DS1), корабль достиг высоких скоростей, поскольку ионные двигатели работали непрерывно в течение длительного времени. [7]
Следующим космическим кораблем, использовавшим двигатели NSTAR, был Dawn с тремя резервными агрегатами. [8]
Remote Agent (RAX), удаленное интеллектуальное программное обеспечение для самовосстановления, разработанное в Исследовательском центре Эймса НАСА и Лаборатории реактивного движения, было первой системой управления искусственного интеллекта, позволяющей управлять космическим кораблем без присмотра человека. [9] Remote Agent успешно продемонстрировал способность планировать действия на борту, правильно диагностировать и реагировать на моделируемые неисправности в компонентах космического корабля с помощью встроенной среды REPL. [10] Автономное управление позволит будущим космическим кораблям работать на больших расстояниях от Земли и осуществлять более сложную научную деятельность в глубоком космосе. Компоненты программного обеспечения Remote Agent использовались для поддержки других миссий НАСА. Основными компонентами Remote Agent были надежный планировщик (EUROPA), система выполнения планов (EXEC) и система диагностики на основе моделей (Livingstone). [10] EUROPA использовалась в качестве наземного планировщика для марсоходов . EUROPA II использовалась для поддержки марсианского корабля «Феникс» и Марсианской научной лаборатории . Ливингстон-2 проводился в качестве эксперимента на борту Earth Observing-1 и на F/A-18 Hornet в Центре летных исследований Драйдена НАСА .
Еще одним методом снижения нагрузки на DSN является эксперимент Beacon Monitor . В течение длительных периодов полета миссии работа космических кораблей по существу приостанавливается. Вместо данных Deep Space 1 передавал несущий сигнал на заранее определенной частоте. Без декодирования данных несущую можно было бы обнаружить с помощью гораздо более простых наземных антенн и приемников. Если DS1 обнаруживал аномалию, он менял несущую между четырьмя тонами в зависимости от срочности. Затем наземные приемники сигнализируют операторам перенаправить ресурсы DSN. Это не позволяло квалифицированным операторам и дорогостоящему оборудованию присматривать за необремененной миссией, действующей номинально. Похожая система использовалась на зонде New Horizons Pluto, чтобы снизить затраты во время его десятилетнего путешествия от Юпитера к Плутону.
Малый транспондер дальнего космоса (SDST) — это компактная и легкая система радиосвязи. Помимо использования миниатюрных компонентов, SDST способен обмениваться данными в диапазоне K a . Поскольку этот диапазон имеет более высокую частоту, чем диапазоны, используемые в настоящее время миссиями в дальний космос, тот же объем данных может быть отправлен с помощью меньшего оборудования в космосе и на земле. И наоборот, существующие антенны DSN могут распределять время между большим количеством миссий. На момент запуска на ДСН было установлено небольшое количество приемников К а, установленных на экспериментальной основе; Количество операций и миссий увеличивается.
SDST позже использовался в других космических миссиях, таких как Марсианская научная лаборатория (марсоход Curiosity ). [11]
Достигнув цели, DS1 определяет окружающую среду частиц с помощью инструмента PEPE (Плазменный эксперимент для исследования планет). Этот прибор измерял поток ионов и электронов в зависимости от их энергии и направления. Состав ионов определялся с помощью времяпролетного масс-спектрометра .
Прибор MICAS (миниатюрная интегрированная камера и спектрометр ) объединил визуализацию в видимом свете с инфракрасной и ультрафиолетовой спектроскопией для определения химического состава. Все каналы имеют общий телескоп диаметром 10 см (3,9 дюйма), в котором используется зеркало из карбида кремния .
И PEPE, и MICAS по своим возможностям были аналогичны более крупным приборам или наборам приборов на других космических кораблях. Они были спроектированы так, чтобы быть меньшими по размеру и потреблять меньшую мощность, чем те, которые использовались в предыдущих миссиях.
Перед запуском Deep Space 1 должен был посетить комету 76P/West-Kohoutek-Ikemura и астероид 3352 McAuliffe . [12] Из-за задержки запуска цели были изменены на астероид 9969 Брайля (в то время называвшийся 1992 KD) и комету 19P/Боррелли , а после раннего успеха миссии была добавлена комета 107P/Уилсона-Харрингтона . [13] Он совершил неудачный пролет над кометой Брайля и из-за проблем со звездным трекером отказался от нацеливания на Уилсона-Харрингтона, чтобы продолжить пролет кометы 19P/Боррелли , который оказался успешным. [13] Облет астероида 1999 KK1 в августе 2002 года рассматривался как еще одна расширенная миссия, но в конечном итоге не был реализован из-за проблем с ценами. [14] [15] В ходе миссии также были сняты высококачественные инфракрасные спектры Марса . [13] [16]
Ионный двигатель первоначально вышел из строя через 4,5 минуты работы. Однако позже он был восстановлен в действии и показал себя превосходно. В начале миссии материал, выброшенный во время отделения ракеты-носителя, вызвал короткое замыкание близко расположенных решеток вывода ионов. Загрязнение в конечном итоге было устранено, поскольку материал был разрушен электрической дугой, сублимирован в результате газовыделения или просто улетучился. Это было достигнуто за счет неоднократного перезапуска двигателя в режиме ремонта двигателя, вызывая образование дуги через захваченный материал. [17]
Считалось, что выхлопы ионного двигателя могут помешать работе других систем космического корабля, таких как радиосвязь или научные инструменты. Детекторы PEPE имели второстепенную функцию — отслеживать такие эффекты от двигателя. Никаких помех обнаружено не было, хотя поток ионов из двигателя не позволял PEPE наблюдать ионы с энергией ниже примерно 20 эВ.
Еще одной неудачей стала потеря звездного трекера . Звездный трекер определяет ориентацию космического корабля, сравнивая звездное поле с его внутренними картами. Миссия была сохранена, когда камеру MICAS перепрограммировали и заменили звездный трекер. Хотя MICAS более чувствителен, его поле зрения на порядок меньше, что создает большую нагрузку на обработку информации. По иронии судьбы, звездный трекер был стандартным компонентом, который должен был быть очень надежным. [13]
Без работающего звездного трекера движение ионов было временно приостановлено. Потеря времени тяги вынудила отменить пролет мимо кометы 107P/Уилсона-Харрингтона .
Система Autonav время от времени требовала ручных корректировок. Большинство проблем заключалось в идентификации объектов, которые были слишком тусклыми или которые было трудно идентифицировать из-за более ярких объектов, вызывающих дифракционные всплески и отражения в камере, из-за чего Autonav неправильно определяла цели.
Системе удаленного агента были представлены три смоделированных отказа космического корабля, и она правильно обработала каждое событие.
В целом это представляло собой успешную демонстрацию полностью автономного планирования, диагностики и восстановления.
Прибор MICAS оказался успешным, но ультрафиолетовый канал вышел из строя из-за электрической неисправности. Позже в миссии, после отказа звездного трекера, MICAS также взял на себя эту обязанность. Это вызывало постоянные перерывы в его научном использовании во время оставшейся миссии, включая встречу с кометой Боррелли. [18]
Облет астероида 9969 Брайля увенчался лишь частичным успехом. Deep Space 1 должен был совершить облет на скорости 56 000 км/ч (35 000 миль в час) на высоте всего 240 м (790 футов) от астероида. Из-за технических трудностей, в том числе сбоя программного обеспечения незадолго до захода на посадку, корабль вместо этого прошел мимо Брайля на расстоянии 26 км (16 миль). Это, плюс более низкое альбедо Брайля , означало, что астероид был недостаточно ярким, чтобы автонавигатор мог сфокусировать камеру в правильном направлении, и съемка изображения была задержана почти на час. [13] Полученные изображения оказались удручающе нечеткими.
Однако пролет кометы Боррелли имел большой успех и позволил получить чрезвычайно подробные изображения поверхности кометы. Такие изображения имели более высокое разрешение, чем единственные предыдущие снимки кометы — кометы Галлея , сделанные космическим кораблем Джотто . Инструмент PEPE сообщил, что взаимодействие солнечного ветра кометы было смещено от ядра. Считается, что это связано с выбросом струй, которые не были равномерно распределены по поверхности кометы.
Несмотря на отсутствие щитов от мусора, космический корабль пережил прохождение кометы в целости и сохранности. И снова редкие струи комет, похоже, не были направлены в сторону космического корабля. Затем Deep Space 1 вступил во вторую расширенную фазу миссии, направленную на повторное тестирование аппаратных технологий космического корабля. В центре внимания этого этапа миссии были системы ионных двигателей. В конце концов у космического корабля закончился гидразиновое топливо для двигателей ориентации. В высокоэффективном ионном двигателе оставалось достаточно топлива для управления ориентацией в дополнение к основной силе, что позволяло продолжить миссию. [18]
В конце октября и начале ноября 1999 года, во время фазы побережья космического корабля после встречи со шрифтом Брайля, Deep Space 1 наблюдал Марс с помощью своего инструмента MICAS. Хотя это был очень далекий пролет, прибору удалось получить несколько инфракрасных спектров планеты. [13] [16]
Deep Space 1 преуспел в достижении своих основных и второстепенных целей, вернув ценные научные данные и изображения. Ионные двигатели DS1 были остановлены 18 декабря 2001 года примерно в 20:00:00 по всемирному координированному времени, что ознаменовало окончание миссии. Бортовая связь должна была оставаться в активном режиме на случай, если корабль понадобится в будущем. Однако попытки возобновить контакты в марте 2002 г. не увенчались успехом. [18] Он остается в пределах Солнечной системы, на орбите вокруг Солнца. [2]
