New Horizons — межпланетный космический зонд, запущенный в рамкахпрограммы NASA New Frontiers . [5] Разработанный Лабораторией прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (APL) и Юго-Западным научно-исследовательским институтом (SwRI) под руководством Алана Стерна [6] ,космический аппарат был запущен в 2006 году с основной миссией — провести исследование системы Плутона в 2015 году, а также дополнительной миссией — пролететь мимо и изучить один или несколько других объектов пояса Койпера (KBO) в последующее десятилетие, что стало миссией к 486958 Аррокот . Это пятый космический зонд , достигший скорости убегания, необходимой для того, чтобы покинуть Солнечную систему .
19 января 2006 года New Horizons был запущен с военно-воздушной станции на мысе Канаверал ракетой Atlas V непосредственно на траекторию выхода из Земли и Солнца со скоростью около 16,26 км/с (10,10 миль/с; 58 500 км/ч; 36 400 миль/ч). Это был самый быстрый (средняя скорость относительно Земли) искусственный объект, когда-либо запущенный с Земли. [7] [8] [9] [10] Это не самая высокая скорость, зарегистрированная для космического корабля, которая по состоянию на 2023 год является скоростью Parker Solar Probe . После короткого столкновения с астероидом 132524 APL New Horizons проследовал к Юпитеру , совершив самое близкое сближение 28 февраля 2007 года на расстоянии 2,3 миллиона километров (1,4 миллиона миль). Пролет Юпитера обеспечил гравитационный маневр , который увеличил скорость New Horizons ; Пролет также позволил провести общую проверку научных возможностей New Horizons , предоставив данные об атмосфере , лунах и магнитосфере планеты .
Большая часть путешествия после Юпитера прошла в режиме гибернации для сохранения бортовых систем, за исключением кратких ежегодных проверок. [11] 6 декабря 2014 года New Horizons был снова включен для встречи с Плутоном, и началась проверка приборов. [12] 15 января 2015 года космический аппарат начал фазу сближения с Плутоном.
14 июля 2015 года в 11:49 UTC он пролетел на высоте 12 500 км (7 800 миль) над поверхностью Плутона, [13] [14] который в то время находился на расстоянии 34 а.е. от Солнца, [15] что сделало его первым космическим аппаратом, исследовавшим карликовую планету. [16] В августе 2016 года сообщалось, что New Horizons двигался со скоростью более 84 000 км/ч (52 000 миль/ч). [17] 25 октября 2016 года в 21:48 UTC от New Horizons были получены последние зарегистрированные данные о пролете Плутона . [18] Завершив пролёт Плутона, [19] New Horizons затем совершил манёвр для пролёта объекта пояса Койпера 486958 Аррокот (тогда называвшегося Ultima Thule ), [20] [21] [22] что произошло 1 января 2019 года, [23] [24] когда он находился на расстоянии 43,4 а.е. (6,49 млрд км ; 4,03 млрд миль ) от Солнца . [20] [21] В августе 2018 года NASA сослалось на результаты Alice на New Horizons, чтобы подтвердить существование « водородной стены » на внешних краях Солнечной системы . Эта «стена» была впервые обнаружена в 1992 году двумя космическими аппаратами Voyager . [25] [26]
New Horizons движется через пояс Койпера; по состоянию на октябрь 2024 года он находится на расстоянии 59,8 а.е. (8,95 млрд км ; 5,56 млрд миль ) от Земли и 60,0 а.е. (8,98 млрд км ; 5,58 млрд миль ) от Солнца. [27] НАСА объявило, что продлит операции New Horizons до тех пор, пока космический аппарат не покинет пояс Койпера, что, как ожидается, произойдет между 2028 и 2029 годами. [28]
.jpg/1280px-New_horizons_(NASA).jpg)
В августе 1992 года ученый из JPL Роберт Штейл позвонил первооткрывателю Плутона Клайду Томбо , попросив разрешения посетить его планету. «Я сказал ему, что он может приехать», — вспоминал позже Томбо, — «хотя ему придется совершить одно долгое и холодное путешествие». [29] В конечном итоге этот звонок привел к серии предложенных миссий к Плутону, ведущих к New Horizons .
Стаматиос «Том» Кримигис , глава космического подразделения Лаборатории прикладной физики , один из многих участников конкурса Программы новых рубежей, сформировал команду New Horizons вместе с Аланом Стерном в декабре 2000 года. Назначенный главным исследователем проекта , Стерн был описан Кримигисом как «олицетворение миссии Плутона». [30] New Horizons был основан в значительной степени на работах Стерна со времен Плутона 350 и включал большую часть команды из Pluto Kuiper Express . [31]
Предложение New Horizons было одним из пяти, которые были официально представлены в NASA. Позднее оно было выбрано в качестве одного из двух финалистов для трехмесячного концептуального исследования в июне 2001 года. Другой финалист, POSSE (Pluto and Outer Solar System Explorer), был отдельной, но похожей концепцией миссии к Плутону, разработанной Университетом Колорадо в Боулдере под руководством главного исследователя Ларри В. Эспозито и поддержанной JPL, Lockheed Martin и Калифорнийским университетом . [32]
Однако APL, в дополнение к поддержке разработчиков Pluto Kuiper Express из Центра космических полетов имени Годдарда и Стэнфордского университета [32], имел преимущество; они недавно разработали NEAR Shoemaker для NASA, который успешно вышел на орбиту вокруг 433 Эроса в начале того же года и позже приземлился на астероиде под фанфары ученых и инженеров. [33]
В ноябре 2001 года New Horizons был официально выбран для финансирования в рамках программы New Frontiers. [34] Однако новый администратор NASA, назначенный администрацией Буша , Шон О'Киф , не поддержал New Horizons и фактически отменил его, не включив его в бюджет NASA на 2003 год. Заместитель администратора NASA по научным миссиям Эд Вайлер побудил Стерна лоббировать финансирование New Horizons в надежде на то, что миссия появится в Planetary Science Decadal Survey , приоритетном «списке пожеланий», составленном Национальным исследовательским советом США , который отражает мнение научного сообщества. [30]
После интенсивной кампании по получению поддержки для New Horizons , летом 2002 года был опубликован Planetary Science Decadal Survey of 2003–2013. New Horizons возглавил список проектов, считающихся наиболее приоритетными среди научного сообщества в категории среднего размера; опередив миссии на Луну и даже Юпитер. Вайлер заявил, что это был результат, с которым «[его] администрация не собиралась бороться». [30] Финансирование миссии было окончательно обеспечено после публикации отчета. Команда Стерна наконец смогла начать строительство космического корабля и его инструментов, с запланированным запуском в январе 2006 года и прибытием к Плутону в 2015 году. [30] Элис Боуман стала менеджером по операциям миссии (MOM). [35]
New Horizons — первая миссия в категории миссий NASA New Frontiers, более масштабная и дорогая, чем миссии Discovery, но меньшая, чем миссии Flagship Program. Стоимость миссии, включая разработку космического корабля и приборов, ракету-носитель, операции миссии, анализ данных и образование/связь с общественностью, составляет приблизительно 700 миллионов долларов за 15 лет (2001–2016). [36] Космический корабль был построен в основном Юго-Западным научно-исследовательским институтом (SwRI) и Лабораторией прикладной физики Университета Джонса Хопкинса . Главным исследователем миссии является Алан Стерн из Юго-Западного научно-исследовательского института (ранее заместитель администратора NASA).
После отделения от ракеты-носителя общее управление взял на себя Центр управления миссией (MOC) в Лаборатории прикладной физики в округе Ховард, штат Мэриленд . Научные приборы эксплуатируются в Научном центре управления Клайда Томбо (T-SOC) в Боулдере, штат Колорадо . [37] Навигация выполняется на различных объектах подрядчиков, тогда как навигационные позиционные данные и соответствующие небесные системы отсчета предоставляются Военно-морской обсерваторией Флагстафф через штаб-квартиру NASA и JPL .
KinetX является лидером навигационной группы New Horizons и отвечает за планирование корректировок траектории по мере того, как космический корабль движется к внешней части Солнечной системы . По совпадению, именно на станции Флагстафф Военно-морской обсерватории были сделаны фотопластинки для открытия спутника Плутона Харона . Сама Военно-морская обсерватория находится недалеко от обсерватории Лоуэлла , где был открыт Плутон.
New Horizons изначально планировался как путешествие к единственной неисследованной планете в Солнечной системе. Когда космический корабль был запущен, Плутон все еще классифицировался как планета , позже он был переклассифицирован Международным астрономическим союзом (МАС) в карликовую планету . Некоторые члены команды New Horizons , включая Алана Стерна, не согласны с определением МАС и по-прежнему описывают Плутон как девятую планету. [38] Спутники Плутона Никс и Гидра также имеют связь с космическим кораблем: первые буквы их имен (N и H) являются начальными буквами New Horizons . Первооткрыватели лун выбрали эти названия по этой причине, а также из-за связи Никс и Гидры с мифологическим Плутоном . [39]
Помимо научного оборудования, с космическим кораблем путешествуют девять культурных артефактов. [40] К ним относятся коллекция из 434 738 имен, сохраненная на компакт-диске, [41] коллекция изображений персонала проекта New Horizons на другом CD, часть SpaceShipOne компании Scaled Composites , [42] марка USPS «Not Yet Explored» [43] [44] и две копии флага Соединенных Штатов . [45] [40]
На борту космического корабля находится около 30 граммов (1 унция) праха Клайда Томбо в память об открытии им Плутона в 1930 году. [46] [47] В комплект поставки официально входит 25-центовая монета штата Флорида , дизайн которой посвящен исследованию человеком, [48] а также 25-центовая монета штата Мэриленд в честь строителей зонда. [40] Один из научных пакетов (пылесчетчик) назван в честь Венеции Берни , которая в детстве предложила название «Плутон» после его открытия.
Цель миссии — понять формирование Плутонианской системы, пояса Койпера и трансформацию ранней Солнечной системы. [49] Космический аппарат собрал данные об атмосферах, поверхностях, недрах и окружающей среде Плутона и его лун. Он также будет изучать другие объекты в поясе Койпера. [50] «Для сравнения, New Horizons собрал в 5000 раз больше данных о Плутоне, чем Mariner о Красной планете ». [51]
Вот некоторые из вопросов, на которые пытается ответить миссия: Из чего состоит атмосфера Плутона и как она себя ведет? Как выглядит его поверхность? Существуют ли крупные геологические структуры? Как частицы солнечного ветра взаимодействуют с атмосферой Плутона? [52]
В частности, научные цели миссии заключаются в следующем: [53]
Космический корабль по размеру и общей форме сопоставим с роялем и сравнивается с пианино, приклеенным к спутниковой антенне размером с коктейльный бар. [54] В качестве отправной точки команда черпала вдохновение из космического корабля Ulysses , [55] который также перевозил радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) и антенну на конструкции «коробка в коробке» через внешнюю часть Солнечной системы. Многие подсистемы и компоненты имеют летное наследие от космического корабля APL CONTOUR , который, в свою очередь, имел наследие от космического корабля APL TIMED .
Корпус New Horizons образует треугольник толщиной почти 0,76 м (2,5 фута). ( У Pioneer шестиугольные корпуса, тогда как у Voyager , Galileo и Cassini-Huygens — десятиугольные полые корпуса.) Труба из алюминиевого сплава 7075 образует основную структурную колонну между адаптерным кольцом ракеты-носителя на «задней» стороне и 2,1-метровой (6 футов 11 дюймов) антенной радиотарелки, прикрепленной к «передней» плоской стороне. Титановый топливный бак находится в этой трубе. RTG крепится с помощью 4-стороннего титанового крепления, напоминающего серую пирамиду или табуретку.
Титан обеспечивает прочность и теплоизоляцию. Остальная часть треугольника в основном представляет собой сэндвич-панели из тонкого алюминиевого лицевого листа (менее 1 ⁄ 64 дюйма или 0,40 мм), прикрепленного к алюминиевому сотовому сердечнику. Структура больше, чем строго необходимо, с пустым пространством внутри. Структура предназначена для того, чтобы действовать как экранирование , уменьшая ошибки электроники, вызванные излучением от RTG. Кроме того, распределение массы, необходимое для вращающегося космического корабля, требует более широкого треугольника.
Внутренняя структура окрашена в черный цвет для выравнивания температуры путем лучистого теплообмена. В целом, космический корабль тщательно укрыт для сохранения тепла. В отличие от « Пионеров» и «Вояджеров» , радиотарелка также заключена в одеяла, которые простираются до корпуса. Тепло от РИТЭГа добавляет тепла космическому кораблю, пока он находится во внешней Солнечной системе. Находясь во внутренней Солнечной системе, космический корабль должен предотвращать перегрев, поэтому электронная активность ограничена, мощность отводится на шунты с прикрепленными радиаторами, а жалюзи открываются для излучения избыточного тепла. Пока космический корабль бездействует в холодной внешней Солнечной системе, жалюзи закрыты, а шунтовый регулятор перенаправляет мощность на электрические нагреватели .
New Horizons имеет как режимы стабилизации вращения (крейсерский), так и режимы стабилизации по трем осям (научный), полностью контролируемые гидразиновым монотопливом . Дополнительная дельта- v после запуска более 290 м/с (1000 км/ч; 650 миль/ч) обеспечивается внутренним баком весом 77 кг (170 фунтов). В качестве нагнетателя используется гелий, а эластомерная диафрагма способствует выталкиванию. Масса космического корабля на орбите, включая топливо, составляет более 470 кг (1040 фунтов) на траектории пролета Юпитера, но составила бы всего 445 кг (981 фунт) для резервного варианта прямого полета к Плутону. Примечательно, что если бы был выбран резервный вариант, это означало бы меньше топлива для последующих операций в поясе Койпера.
На New Horizons имеется 16 двигателей : четыре 4,4 Н (1,0 фунт-сила ) и двенадцать 0,9 Н (0,2 фунт-сила), соединенных в резервные ветви. Более крупные двигатели используются в основном для коррекции траектории, а малые (ранее использовавшиеся на космических аппаратах Cassini и Voyager ) используются в основном для управления ориентацией и маневров разгона/торможения. Две звездные камеры используются для измерения ориентации космического аппарата. Они установлены на лицевой стороне космического аппарата и предоставляют информацию об ориентации в режиме стабилизации вращения или в режиме 3-осевого вращения. В промежутке между показаниями звездной камеры ориентация космического аппарата обеспечивается двойными резервными миниатюрными инерциальными измерительными блоками . Каждый блок содержит три твердотельных гироскопа и три акселерометра . Два солнечных датчика Adcole обеспечивают определение ориентации. Один определяет угол к Солнцу, тогда как другой измеряет скорость вращения и тактирование.
В плоскости треугольника из одной из вершин выступает цилиндрический радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ). РИТЭГ обеспечиваетМощность на старте составляла 245,7 Вт , и прогнозировалось, что она упадет примерно на3,5 Вт каждый год, уменьшаясь до202 Вт к моменту встречи с Плутонианской системой в 2015 году и будет слишком сильно затухать, чтобы питать передатчики в 2030-х годах. [6] На борту нет батарей, поскольку выходная мощность RTG предсказуема, а переходные процессы нагрузки обрабатываются конденсаторной батареей и быстрыми выключателями. По состоянию на январь 2019 года выходная мощность RTG составляет около190 Вт . [56]
RTG, модель « GPHS-RTG », изначально был запасным от миссии Cassini . RTG содержит 9,75 кг (21,5 фунта) гранул оксида плутония-238 . [31] Каждая гранула покрыта иридием , затем заключена в графитовую оболочку. Он был разработан Министерством энергетики США в Комплексе материалов и топлива, входящем в состав Национальной лаборатории Айдахо . [57] Первоначальный проект RTG предусматривал 10,9 кг (24 фунта) плутония, но из-за задержек в Министерстве энергетики США, включая мероприятия по обеспечению безопасности, которые задержали производство плутония, был изготовлен блок меньшей мощности. [58] Параметры миссии и последовательность наблюдений пришлось изменить для сниженной мощности; тем не менее, не все приборы могут работать одновременно. Министерство энергетики перевело программу космических батарей из Огайо в Аргонн в 2002 году из-за проблем безопасности.
Количество радиоактивного плутония в РИТЭГ составляет около одной трети от количества на борту зонда Кассини-Гюйгенс, когда он был запущен в 1997 году. Запуск Кассини был опротестован несколькими организациями из-за риска выброса такого большого количества плутония в атмосферу в случае аварии. Министерство энергетики США оценило вероятность аварии запуска, которая приведет к выбросу радиации в атмосферу, как 1 к 350, и отслеживало запуск [59] из-за включения РИТЭГ на борту. Было подсчитано, что наихудший сценарий полного рассеивания бортового плутония распространит эквивалентную радиацию в 80% от средней годовой дозы в Северной Америке от фоновой радиации на площади с радиусом 105 км (65 миль). [60]
Космический корабль несет две компьютерные системы: систему управления и обработки данных и процессор наведения и управления. Каждая из двух систем дублируется для избыточности , в общей сложности четыре компьютера. Процессор, используемый для его полетных компьютеров, — это Mongoose-V , 12 МГц радиационно-устойчивая версия центрального процессора MIPS R3000 . Несколько избыточных часов и процедур синхронизации реализованы в аппаратном и программном обеспечении, чтобы помочь предотвратить сбои и простои. Для сохранения тепла и массы, космический корабль и приборная электроника размещены вместе в IEM (интегрированные электронные модули). Есть два избыточных IEM. Включая другие функции, такие как приборная и радиоэлектроника, каждый IEM содержит 9 плат. [61] Программное обеспечение зонда работает на операционной системе Nucleus RTOS . [62]
Произошло два «аварийных» события, которые перевели космический корабль в безопасный режим :
Связь с космическим кораблем осуществляется через диапазон X. Скорость связи корабля составляла38 кбит/с на Юпитере; на расстоянии Плутона скорость приблизительноОжидалось 1 кбит/с на передатчик. Помимо низкой скорости передачи данных, расстояние до Плутона также вызывает задержку около 4,5 часов (в одну сторону). 70-метровые (230 футов) антенны NASA Deep Space Network (DSN) используются для передачи команд, когда космический корабль находится за пределами Юпитера. Космический корабль использует двойные модульные избыточные передатчики и приемники, а также либо правую, либо левую круговую поляризацию .
Сигнал нисходящей линии связи усиливается двойными избыточными 12-ваттными усилителями на лампах бегущей волны (TWTA), установленными на корпусе под тарелкой. Приемники имеют маломощную конструкцию. Системой можно управлять для питания обоих TWTA одновременно и передавать сигнал нисходящей линии связи с двойной поляризацией в DSN, что почти удваивает скорость нисходящей линии связи. Тесты DSN в начале миссии с этой техникой комбинирования двойной поляризации прошли успешно, и было объявлено, что эта возможность работоспособна (когда бюджет мощности космического корабля позволяет запитать оба TWTA).
В дополнение к антенне с высоким коэффициентом усиления , есть две резервные антенны с низким коэффициентом усиления и антенна со средним коэффициентом усиления. Антенна с высоким коэффициентом усиления имеет схему рефлектора Кассегрена , композитную конструкцию, диаметром 2,1 метра (7 футов), обеспечивающую более42 дБи усиления и ширина луча половинной мощности около градуса. Антенна среднего усиления с основным фокусом, с апертурой 0,3 метра (1 фут) и шириной луча половинной мощности 10°, установлена на передней стороне вторичного рефлектора антенны с высоким коэффициентом усиления. Передняя антенна с низким коэффициентом усиления установлена поверх облучателя антенны со средним коэффициентом усиления. Кормовая антенна с низким коэффициентом усиления установлена в пусковом адаптере в задней части космического корабля. Эта антенна использовалась только на ранних этапах миссии вблизи Земли, сразу после запуска и в чрезвычайных ситуациях, если космический корабль терял управление ориентацией.
New Horizons записывала данные научных приборов в свой твердотельный буфер памяти при каждой встрече, затем передавала данные на Землю. Хранение данных осуществляется на двух маломощных твердотельных регистраторах (один основной, один резервный), вмещающих до8 гигабайт каждый. Из-за огромного расстояния от Плутона и пояса Койпера, только одна буферная нагрузка при этих встречах может быть сохранена. Это потому, что New Horizons потребовалось бы около 16 месяцев после того, как они покинули окрестности Плутона, чтобы передать буферную нагрузку обратно на Землю. [66] На расстоянии Плутона радиосигналы от космического зонда обратно на Землю заняли четыре часа и 25 минут, чтобы преодолеть 4,7 миллиарда км пространства. [67]
Одной из причин задержки между сбором и передачей данных является то, что все приборы New Horizons установлены на корпусе. Для того чтобы камеры могли записывать данные, весь зонд должен поворачиваться, а луч антенны с высоким коэффициентом усиления шириной в один градус не был направлен на Землю. Предыдущие космические аппараты, такие как зонды программы Voyager , имели вращающуюся инструментальную платформу («сканирующую платформу»), которая могла проводить измерения практически под любым углом, не теряя радиосвязь с Землей. New Horizons был механически упрощен для экономии веса, сокращения графика и повышения надежности в течение его 15-летнего проектного срока службы.
Сканирующая платформа Voyager 2 застряла на Сатурне, а необходимость длительной экспозиции на внешних планетах привела к изменению планов, в результате чего весь зонд был повернут для съемки Урана и Нептуна, подобно тому, как вращался New Horizons .
New Horizons несет семь инструментов: три оптических инструмента, два плазменных инструмента, датчик пыли и радиоприемник/радиометр. Инструменты будут использоваться для исследования глобальной геологии, состава поверхности, температуры поверхности, атмосферного давления, температуры атмосферы и скорости убегания Плутона и его лун. Номинальная мощность составляет21 Вт , хотя не все инструменты работают одновременно. [68] Кроме того, New Horizons имеет подсистему сверхстабильного осциллятора, которая может быть использована для изучения и проверки аномалии Pioneer к концу срока службы космического корабля. [69]
Long-Range Reconnaissance Imager (LORRI) — это длиннофокусный тепловизор, разработанный для высокого разрешения и чувствительности на видимых длинах волн. Прибор оснащен монохроматическим ПЗС- датчиком изображения 1024×1024 пикселей на 12 бит на пиксель, дающим разрешение 5 мкрад (~1 угловая секунда ). [70] ПЗС охлаждается намного ниже нуля пассивным радиатором на антисолнечной стороне космического корабля. Этот перепад температур требует изоляции и изоляции от остальной части конструкции. Зеркала Ричи-Кретьена с апертурой 208,3 мм (8,20 дюйма) и измерительная структура изготовлены из карбида кремния для повышения жесткости, снижения веса и предотвращения деформации при низких температурах. Оптические элементы находятся в композитном световом щите и крепятся с помощью титана и стекловолокна для тепловой изоляции. Общая масса составляет 8,6 кг (19 фунтов), с оптической трубой в сборе (OTA) весом около 5,6 кг (12 фунтов), [71] для одного из крупнейших телескопов из карбида кремния, летавших в то время (теперь превзойденных Herschel ). Для просмотра на общедоступных веб-сайтах 12-битные на пиксель изображения LORRI преобразуются в 8-битные на пиксель изображения JPEG . [70] Эти общедоступные изображения не содержат полный динамический диапазон информации о яркости, доступный из необработанных файлов изображений LORRI. [70]
Солнечный ветер вокруг Плутона (SWAP) — это тороидальный электростатический анализатор и анализатор потенциала замедления (RPA), который составляет один из двух инструментов, входящих в комплект спектрометра плазмы и частиц высокой энергии (PAM) New Horizons , другой — PEPSSI. SWAP измеряет частицы до 6,5 кэВ, и из-за слабого солнечного ветра на расстоянии Плутона прибор спроектирован с самой большой апертурой среди всех когда-либо запущенных подобных приборов. [73]
Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation (PEPSSI) — это датчик времени пролета ионов и электронов , который составляет один из двух инструментов, входящих в набор спектрометров плазмы и частиц высокой энергии (PAM) New Horizons , другой — SWAP. В отличие от SWAP, который измеряет частицы до 6,5 кэВ, PEPSSI измеряет до 1 МэВ. [73] Датчик PEPSSI был разработан для измерения массы, энергии и распределения заряженных частиц вокруг Плутона, а также способен различать протоны , электроны и другие тяжелые ионы . [74]
Alice — это ультрафиолетовый спектрометр , один из двух фотографических инструментов, входящих в состав New Horizons ' Pluto Exploration Remote Sensing Investigation (PERSI); другой — телескоп Ralph . Он разрешает 1024 диапазона длин волн в дальнем и экстремальном ультрафиолете (от 50 до180 нм ), более 32 полей зрения. Его цель — определить состав атмосферы Плутона. Этот инструмент Alice создан на основе другого инструмента Alice с борта космического корабля Rosetta ЕКА . [73] Инструмент имеет массу 4,4 кг и потребляет 4,4 Вт мощности. Его основная роль — определить относительные концентрации различных элементов и изотопов в атмосфере Плутона. [75]
В августе 2018 года НАСА подтвердило, основываясь на результатах исследования Alice на космическом аппарате New Horizons , наличие « водородной стены » на внешних границах Солнечной системы , которая была впервые обнаружена в 1992 году двумя космическими аппаратами Voyager . [25] [26]
Телескоп Ralph, 75 мм [76] в апертуре, является одним из двух фотографических инструментов, которые составляют Pluto Exploration Remote Sensing Investigation (PERSI) New Horizons , а другой — инструмент Alice. Ralph имеет два отдельных канала: MVIC (Multispectral Visible Imaging Camera), ПЗС- камера видимого света с широкополосными и цветными каналами; и LEISA (Linear Etalon Imaging Spectral Array), спектрометр ближнего инфракрасного диапазона . LEISA произошел от аналогичного инструмента на космическом аппарате Earth Observing-1 . Ralph был назван в честь мужа Элис из сериала «Молодожены» и был разработан в честь Элис. [77]
23 июня 2017 года НАСА объявило, что переименовало прибор LEISA в «Инфракрасный картографический спектрометр Лизы Хардуэй» в честь Лизы Хардуэй , менеджера программы Ralph в Ball Aerospace , которая умерла в январе 2017 года в возрасте 50 лет. [78]
Студенческий пылесчетчик Venetia Burney ( VBSDC), построенный студентами Университета Колорадо в Боулдере, периодически работает для проведения измерений пыли . [79] [80] Он состоит из детекторной панели размером около 460 мм × 300 мм (18 дюймов × 12 дюймов), установленной на антисолнечной стороне космического корабля (направление таранной трубы), и электронного блока внутри космического корабля. Детектор содержит четырнадцать панелей из поливинилидендифторида (ПВДФ), двенадцать научных и две контрольных, которые генерируют напряжение при ударе. Эффективная площадь сбора составляет 0,125 м 2 (1,35 кв. фута). Ни один пылесчетчик не работал за пределами орбиты Урана ; модели пыли во внешней Солнечной системе, особенно в поясе Койпера, являются предположительными. VBSDC всегда включен, измеряя массы межпланетных и межзвездных пылевых частиц (в диапазоне нано- и пикограмм), когда они сталкиваются с панелями PVDF, установленными на космическом аппарате New Horizons . Ожидается, что измеренные данные внесут большой вклад в понимание спектров пыли Солнечной системы. Затем спектры пыли можно будет сравнить со спектрами, полученными при наблюдениях за другими звездами, что даст новые подсказки относительно того, где во Вселенной можно найти планеты, похожие на Землю. Счетчик пыли назван в честь Венеции Берни , которая первой предложила название «Плутон» в возрасте 11 лет. Тринадцатиминутный короткометражный фильм о VBSDC получил премию «Эмми» за достижения учащихся в 2006 году. [81]
Радионаучный эксперимент (REX) использовал сверхстабильный кварцевый генератор (по сути, калиброванный кристалл в миниатюрной печи ) и некоторую дополнительную электронику для проведения радионаучных исследований с использованием каналов связи. Они достаточно малы, чтобы поместиться на одной карте. Поскольку есть две избыточные подсистемы связи, есть две идентичные платы REX.
24 сентября 2005 года космический корабль прибыл в Космический центр Кеннеди на борту C-17 Globemaster III для подготовки к запуску. [82] Запуск New Horizons изначально был запланирован на 11 января 2006 года, но был отложен до 17 января 2006 года, чтобы провести осмотр керосинового бака Atlas V с помощью бороскопа . Дальнейшие задержки, связанные с низким потолком облаков на дальности полета , а также сильным ветром и техническими трудностями, не связанными с самой ракетой, отложили запуск еще на два дня. [83] [84]
Зонд наконец стартовал с площадки 41 на станции ВВС на мысе Канаверал , штат Флорида , прямо к югу от стартового комплекса 39 для космических челноков , в 19:00 UTC 19 января 2006 года. [85] [86] Вторая ступень Centaur зажглась в 19:04:43 UTC и горела в течение 5 минут 25 секунд. Она снова зажглась в 19:32 UTC и горела в течение 9 минут 47 секунд. Третья ступень ATK Star 48 B зажглась в 19:42:37 UTC и горела в течение 1 минуты 28 секунд. [87] В совокупности эти запуски успешно отправили зонд на траекторию выхода из Солнца со скоростью 16,26 километра в секунду (58 536 км/ч; 36 373 миль в час). [8] New Horizons потребовалось всего девять часов, чтобы пересечь орбиту Луны. [88] Хотя в феврале 2006 и феврале 2007 года были резервные возможности запуска, только первые двадцать три дня окна 2006 года позволили пролететь мимо Юпитера. Любой запуск вне этого периода заставил бы космический аппарат лететь по более медленной траектории прямо к Плутону, отложив его встречу на пять-шесть лет. [89]
Зонд был запущен ракетой Lockheed Martin Atlas V 551 с третьей ступенью, добавленной для увеличения гелиоцентрической (убегающей) скорости. Это был первый запуск конфигурации Atlas V 551, которая использует пять твердотопливных ракетных ускорителей , и первый Atlas V с третьей ступенью. Предыдущие полеты использовали ноль, два или три твердотопливных ускорителя, но никогда не пять. Аппарат, AV-010, весил 573 160 килограммов (1 263 600 фунтов) при старте, [87] и ранее был слегка поврежден, когда ураган Вильма пронесся по Флориде 24 октября 2005 года. Один из твердотопливных ракетных ускорителей был задет дверью. Ускоритель был заменен идентичным устройством, вместо того, чтобы осмотреть и переквалифицировать оригинал. [90]
Запуск был посвящён памяти руководителя запуска Дэниела Сарокона , которого должностные лица космической программы описали как одного из самых влиятельных людей в истории космических путешествий. [91]
28 и 30 января 2006 года диспетчеры миссии провели зонд через его первый маневр коррекции траектории (TCM), который был разделен на две части (TCM-1A и TCM-1B). Общее изменение скорости этих двух коррекций составило около 18 метров в секунду (65 км/ч; 40 миль/ч). TCM-1 был достаточно точным, чтобы разрешить отмену TCM-2, второй из трех первоначально запланированных коррекций. [92] 9 марта 2006 года диспетчеры выполнили TCM-3, последнюю из трех запланированных коррекций курса. Двигатели работали в течение 76 секунд, скорректировав скорость космического корабля примерно на 1,16 м/с (4,2 км/ч; 2,6 миль/ч). [93] Дальнейшие маневры траектории не потребовались до 25 сентября 2007 года (спустя семь месяцев после пролета Юпитера), когда двигатели были включены на 15 минут и 37 секунд, изменив скорость космического корабля на 2,37 м/с (8,5 км/ч; 5,3 мили в час), [94] за которым последовал еще один TCM, почти три года спустя, 30 июня 2010 года, который длился 35,6 секунды, когда New Horizons уже достиг половины пути (во времени) к Плутону. [95]
В течение недели 20 февраля 2006 года диспетчеры провели начальные летные испытания трех бортовых научных приборов, ультрафиолетового спектрометра Alice, плазменного датчика PEPSSI и камеры LORRI дальнего видимого спектра. Научных измерений или изображений не проводилось, но электроника приборов, а в случае Alice и некоторые электромеханические системы, как было показано, функционировали правильно. [96]
7 апреля 2006 года космический аппарат миновал орбиту Марса, двигаясь со скоростью около 21 км/с (76 000 км/ч; 47 000 миль/ч) от Солнца на расстоянии 243 миллиона километров от Солнца. [97] [98] [99]
Из-за необходимости экономить топливо для возможных встреч с объектами пояса Койпера после пролета Плутона преднамеренные встречи с объектами в поясе астероидов не планировались. После запуска команда New Horizons просканировала траекторию космического корабля, чтобы определить, будут ли какие-либо астероиды случайно достаточно близко для наблюдения. В мае 2006 года было обнаружено, что New Horizons пройдет близко к крошечному астероиду 132524 APL 13 июня 2006 года. Ближайшее сближение произошло в 4:05 UTC на расстоянии 101 867 км (63 297 миль) (около четверти среднего расстояния от Земли до Луны ). Астероид был сфотографирован Ralph (использование LORRI было невозможно из-за близости к Солнцу), что дало команде возможность проверить возможности Ralph и провести наблюдения за составом астероида, а также за кривыми блеска и фазы. Диаметр астероида оценивался в 2,5 км (1,6 мили). [100] [101] [102] Космический аппарат успешно отслеживал быстро движущийся астероид в течение 10–12 июня 2006 года.
Первые изображения Плутона с New Horizons были получены 21–24 сентября 2006 года во время испытания LORRI. Они были опубликованы 28 ноября 2006 года. [103] Изображения, полученные с расстояния около 4,2 млрд км (2,6 млрд миль; 28 а. е.), подтвердили способность космического аппарата отслеживать удаленные цели, что критически важно для маневрирования в направлении Плутона и других объектов пояса Койпера.
.jpg/1280px-NH_Jupiter_IR_(contrast_enhanced).jpg)
New Horizons использовал LORRI, чтобы сделать свои первые фотографии Юпитера 4 сентября 2006 года с расстояния 291 миллион километров (181 миллион миль). [104] Более детальное исследование системы началось в январе 2007 года с инфракрасного изображения луны Каллисто , а также нескольких черно-белых изображений самого Юпитера. [105] New Horizons получил гравитационную помощь от Юпитера, при его максимальном сближении в 05:43:40 UTC 28 февраля 2007 года, когда он находился в 2,3 миллиона километров (1,4 миллиона миль) от Юпитера. Пролет увеличил скорость New Horizons на 4 км/с (14 000 км/ч; 9 000 миль/ч), разогнав зонд до скорости 23 км/с (83 000 км/ч; 51 000 миль/ч) относительно Солнца и сократив его путешествие к Плутону на три года. [106]
Пролет был центром четырехмесячной интенсивной наблюдательной кампании, которая длилась с января по июнь. Будучи постоянно меняющейся научной целью, Юпитер периодически наблюдался с момента окончания миссии Galileo в сентябре 2003 года. Знания о Юпитере выиграли от того факта, что инструменты New Horizons были построены с использованием новейших технологий, особенно в области камер, что представляет собой значительное улучшение по сравнению с камерами Galileo , которые были модифицированными версиями камер Voyager , которые, в свою очередь, были модифицированными камерами Mariner . Встреча с Юпитером также послужила пробным камнем и генеральной репетицией встречи с Плутоном. Поскольку Юпитер находится намного ближе к Земле, чем Плутон, линия связи может передавать несколько загрузок буфера памяти; таким образом, миссия вернула больше данных из системы Юпитера, чем ожидалось передать с Плутона. [107]
Одной из главных целей во время встречи с Юпитером было наблюдение за его атмосферными условиями и анализ структуры и состава его облаков. Были замечены и измерены вызванные жаром удары молний в полярных регионах и «волны», которые указывают на сильную штормовую активность. Маленькое Красное Пятно , охватывающее до 70% диаметра Земли, было впервые сфотографировано с близкого расстояния. [106] Снимая с разных углов и условий освещения, New Horizons сделал подробные снимки слабой кольцевой системы Юпитера , обнаружив обломки, оставшиеся от недавних столкновений внутри колец или от других необъяснимых явлений. Поиск неоткрытых лун внутри колец не дал результатов. Пролетая через магнитосферу Юпитера , New Horizons собрал ценные показания частиц. [106] «Пузыри» плазмы, которые, как считается, образовались из материала, выброшенного луной Ио, были замечены в хвосте магнитосферы . [108]
Четыре крупнейших спутника Юпитера находились в неблагоприятных положениях для наблюдения; необходимый путь гравитационного маневра означал, что New Horizons прошел в миллионах километров от любого из галилеевых спутников . Тем не менее, его инструменты были предназначены для небольших, тусклых целей, поэтому они были научно полезны на больших, далеких спутниках. Особое внимание было уделено самому внутреннему галилееву спутнику Юпитера, Ио , чьи активные вулканы выбрасывают тонны материала в магнитосферу Юпитера и далее. Из одиннадцати наблюдаемых извержений три были замечены впервые. Извержение Тваштара достигло высоты до 330 км (210 миль). Событие дало ученым беспрецедентный взгляд на структуру и движение восходящего шлейфа и его последующее падение обратно на поверхность. Были замечены инфракрасные сигнатуры еще 36 вулканов. [106] Поверхность Каллисто была проанализирована с помощью LEISA, что показало, как условия освещения и наблюдения влияют на показания инфракрасного спектра ее поверхностного водяного льда. [109] Для малых лун, таких как Амальтея, были уточнены решения по орбитам. Камеры определяли их положения, действуя как «обратная оптическая навигация».
Медиа, связанные с фотографиями системы Юпитера от New Horizons на Wikimedia CommonsПосле прохождения Юпитера New Horizons провел большую часть своего пути к Плутону в режиме гибернации. Резервные компоненты, а также системы наведения и управления были отключены, чтобы продлить их жизненный цикл, снизить эксплуатационные расходы и освободить Deep Space Network для других миссий. [110] Во время режима гибернации бортовой компьютер контролировал системы зонда и передавал сигнал обратно на Землю: «зеленый» код, если все функционировало как положено, или «красный» код, если требовалась помощь центра управления полетами. [110] Зонд активировался примерно на два месяца в году, чтобы можно было откалибровать приборы и проверить системы. Первый цикл режима гибернации начался 28 июня 2007 года, [110] второй цикл начался 16 декабря 2008 года, [111] третий цикл — 27 августа 2009 года, [112] а четвертый цикл — 29 августа 2014 года после 10-недельного теста. [113]
New Horizons пересек орбиту Сатурна 8 июня 2008 года [114] и Урана 18 марта 2011 года. [115] После того, как астрономы объявили об открытии двух новых лун в системе Плутона, Кербера и Стикса , планировщики миссии начали рассматривать возможность столкновения зонда с невидимыми обломками и пылью, оставшимися от древних столкновений между лунами. Исследование, основанное на 18 месяцах компьютерного моделирования, наблюдениях с помощью наземных телескопов и затмениях системы Плутона, показало, что вероятность катастрофического столкновения с обломками или пылью составляла менее 0,3% на запланированном курсе зонда. [116] [117] Если бы опасность возросла, New Horizons мог бы использовать один из двух возможных планов действий в чрезвычайных ситуациях, так называемых SHBOT (Safe Haven by Other Trajectories). Зонд мог бы либо продолжить движение по своей нынешней траектории с антенной, обращенной к входящим частицам, чтобы защитить наиболее важные системы, либо расположить антенну так, чтобы скорректировать курс, что привело бы его всего в 3000 км (1900 миль) от поверхности Плутона, где, как ожидалось, атмосферное сопротивление очистило бы окружающее пространство от возможного мусора. [117]
Находясь в режиме гибернации в июле 2012 года, New Horizons начал собирать научные данные с помощью SWAP, PEPSSI и VBSDC. Хотя изначально планировалось активировать только VBSDC, другие инструменты были включены для сбора ценных гелиосферных данных. Перед активацией двух других инструментов были проведены наземные испытания, чтобы убедиться, что расширенный сбор данных на этом этапе миссии не ограничит доступную энергию, память и топливо в будущем и что все системы функционируют во время пролета. [118] Первый набор данных был передан в январе 2013 года во время трехнедельной активации из режима гибернации. Программное обеспечение для управления и обработки данных было обновлено для решения проблемы перезагрузки компьютеров. [119]
Другими возможными целями были троянцы Нептуна . Траектория зонда к Плутону проходила вблизи отстающей точки Лагранжа Нептуна (« L 5 »), в которой могут находиться сотни тел в резонансе 1:1 . В конце 2013 года New Horizons прошел в пределах 1,2 а.е. (180 миллионов км; 110 миллионов миль) от сильно наклоненного трояна L5 Нептуна 2011 HM 102 [120] , который был обнаружен незадолго до этого в ходе задачи поиска KBO New Horizons, исследования с целью поиска дополнительных удаленных объектов , мимо которых New Horizons мог бы пролететь после встречи с Плутоном в 2015 году. На этом расстоянии 2011 HM 102 был бы достаточно ярким, чтобы его можно было обнаружить инструментом LORRI New Horizons ; Однако команда New Horizons в конечном итоге решила, что не будет нацеливаться на 2011 HM 102 для наблюдений, поскольку подготовка к сближению с Плутоном имела приоритет. [121] 25 августа 2014 года New Horizons пересек орбиту Нептуна , ровно через 25 лет после того, как планету посетил зонд Voyager 2. [122] Это было последнее пересечение орбиты крупной планеты перед пролетом Плутона. В то время космический аппарат находился на расстоянии 3,99 млрд км (2,48 млрд миль; 26,7 а.е.) от Нептуна и 4,51 млрд км (2,80 млрд миль; 30,1 а.е.) от Солнца.
Изображения с 1 по 3 июля 2013 года, полученные LORRI, были первыми, на которых зонд разделил Плутон и Харон как отдельные объекты. [123] 14 июля 2014 года диспетчеры миссии выполнили шестой маневр коррекции траектории (TCM) с момента запуска, чтобы позволить аппарату достичь Плутона. [124] В период с 19 по 24 июля 2014 года LORRI New Horizons сделал 12 снимков Харона, вращающегося вокруг Плутона, охватив почти один полный оборот на расстояниях от примерно 429 до 422 миллионов км (от 267 до 262 миллионов миль). [125] В августе 2014 года астрономы провели высокоточные измерения местоположения Плутона и его орбиты вокруг Солнца с помощью Atacama Large Millimeter/submillimeter Array ( ALMA ), массива радиотелескопов, расположенных в Чили, чтобы помочь космическому аппарату NASA New Horizons точно навестись на Плутон. [126] 6 декабря 2014 года диспетчеры миссии послали сигнал аппарату «проснуться» от его последней спячки перед приближением к Плутону и начать регулярные операции. Ответ аппарата о том, что он «проснулся», достиг Земли 7 декабря 2014 года в 02:30 UTC. [127] [128] [129]
Операции по дальним контактам на Плутоне начались 4 января 2015 года. [130] В этот день изображения целей с бортового устройства LORRI и телескопа Ralph были всего в несколько пикселей в ширину. Исследователи начали делать снимки Плутона и фоновые снимки звездного поля, чтобы помочь навигаторам миссии в разработке маневров двигателя коррекции курса, которые точно изменят траекторию New Horizons для нацеливания подхода. [131]
12 февраля 2015 года НАСА опубликовало новые снимки Плутона (сделанные с 25 по 31 января) с приближающегося зонда. [132] [133] New Horizons находился на расстоянии более 203 миллионов км (126 миллионов миль) от Плутона, когда начал делать фотографии, на которых были видны Плутон и его крупнейший спутник Харон. Время экспозиции было слишком коротким, чтобы увидеть меньшие, гораздо более тусклые спутники Плутона.
Исследователи составили серию изображений лун Никс и Гидра, сделанных с 27 января по 8 февраля 2015 года, начиная с расстояния 201 млн км (125 млн миль). [134] Плутон и Харон выглядят как один передержанный объект в центре. Изображение с правой стороны было обработано для удаления фонового звездного поля. Две другие, еще меньшие луны — Кербер и Стикс — были видны на фотографиях, сделанных 25 апреля. [135] Начиная с 11 мая, проводился поиск опасностей с целью поиска неизвестных объектов, которые могли бы представлять опасность для космического корабля, таких как кольца или до сих пор не обнаруженные луны, которых затем можно было бы избежать, изменив курс. [136] Никаких колец или дополнительных лун обнаружено не было.
Также в отношении фазы сближения в январе 2015 года, 21 августа 2012 года команда объявила, что они потратят время миссии на попытки дальних наблюдений объекта пояса Койпера, временно обозначенного VNH0004 (теперь обозначенного 2011 KW 48 ), когда объект находился на расстоянии 75 миллионов км (0,50 а.е.; 47 миллионов миль) от New Horizons . [137] Объект будет слишком далек, чтобы разрешить особенности поверхности или провести спектроскопию, но он сможет проводить наблюдения, которые не могут быть сделаны с Земли, а именно фазовую кривую и поиск малых лун. Второй объект планировалось наблюдать в июне 2015 года, а третий — в сентябре после пролета; команда надеялась наблюдать дюжину таких объектов до 2018 года. [137] 15 апреля 2015 года был получен снимок Плутона, на котором видна возможная полярная шапка. [138]
4 июля 2015 года New Horizons столкнулся с программной аномалией и перешел в безопасный режим, не позволяя космическому аппарату выполнять научные наблюдения до тех пор, пока инженеры не решат проблему. [139] [140] 5 июля NASA объявило, что проблема была определена как ошибка синхронизации в последовательности команд, используемой для подготовки космического аппарата к пролету, и космический аппарат возобновит запланированные научные операции 7 июля. Было сочтено, что научные наблюдения, потерянные из-за аномалии, не оказали никакого влияния на основные цели миссии и оказали минимальное влияние на другие цели. [141]
Ошибка синхронизации состояла в одновременном выполнении двух задач — сжатии ранее полученных данных для освобождения места для большего количества данных и создании второй копии последовательности команд сближения — что вместе перегрузило основной компьютер космического корабля. После обнаружения перегрузки космический корабль действовал так, как и было задумано: он переключился с основного компьютера на резервный, вошел в безопасный режим и отправил сигнал бедствия обратно на Землю. Сигнал бедствия был получен днем 4 июля и предупредил инженеров о том, что им необходимо связаться с космическим кораблем, чтобы получить дополнительную информацию и решить проблему. Решение состояло в том, что проблема возникла в ходе подготовки к сближению и не должна была повториться, поскольку на оставшуюся часть встречи не было запланировано никаких подобных задач. [141] [142]
Ближайшее сближение космического аппарата New Horizons с Плутоном произошло в 11:49 UTC 14 июля 2015 года на расстоянии 12 472 км (7 750 миль) от поверхности [143] и 13 658 км (8 487 миль) от центра Плутона. Телеметрические данные, подтверждающие успешный пролет и исправный космический аппарат, были получены на Земле из окрестностей системы Плутона 15 июля 2015 года, 00:52:37 UTC [144] после 22 часов запланированного радиомолчания из-за того, что космический аппарат был направлен в сторону системы Плутона . Руководители миссии оценили вероятность того, что обломки могли разрушить зонд или его системы связи во время пролета, не дав ему отправить данные на Землю, как один к 10 000. [145] Первые подробности встречи были получены на следующий день, но загрузка полного набора данных через канал передачи данных со скоростью 2 кбит/с заняла чуть более 15 месяцев. [18]
Научные цели миссии были сгруппированы в три отдельных приоритета. «Основные цели» были обязательными. «Вторичные цели» должны были быть достигнуты, но не были востребованы. «Третичные цели» были желательными. Эти цели можно было пропустить в пользу вышеуказанных целей. Цель измерения любого магнитного поля Плутона была исключена из-за массы и расходов, связанных с включением магнитометра в космический аппарат. Вместо этого SWAP и PEPSSI могли косвенно обнаружить магнитные поля вокруг Плутона. [146]
«Пролет аппарата New Horizons мимо системы Плутона прошел полностью успешно, выполнив, а во многих случаях и превзойдя цели по исследованию Плутона, поставленные для него НАСА и Национальной академией наук». [147]
New Horizons прошел в пределах 12 500 км (7 800 миль) от Плутона, с самым близким сближением 14 июля 2015 года в 11:50 UTC. New Horizons имел относительную скорость 13,78 км/с (49 600 км/ч; 30 800 миль/ч) при самом близком сближении и приблизился на расстояние 28 800 км (17 900 миль) к Харону. Начиная за 3,2 дня до самого близкого сближения, дальняя съемка включала картирование Плутона и Харона с разрешением 40 км (25 миль). Это половина периода вращения системы Плутон-Харон и позволило получить изображения всех сторон обоих тел. Близкая съемка повторялась дважды в день для поиска изменений поверхности, вызванных локализованным снегопадом или поверхностным криовулканизмом . Из-за наклона Плутона часть северного полушария будет все время находиться в тени. Во время пролета инженеры ожидали, что LORRI сможет получить избранные изображения с разрешением до 50 м на пиксель (160 футов/пикс), если ближайшее расстояние будет около 12 500 км (7 800 миль), а MVIC, как ожидалось, получит четырехцветные глобальные дневные карты с разрешением 1,6 км (1 миля). LORRI и MVIC попытались перекрыть свои соответствующие зоны покрытия, чтобы сформировать стереопары. LEISA получил гиперспектральные карты в ближнем инфракрасном диапазоне с разрешением 7 км/пикс (4,3 мили/пикс) в глобальном масштабе и 0,6 км/пикс (0,37 мили/пикс) для избранных областей.
.png/1280px-Snakeskin_terrain_on_Pluto_(PIA19957).png)
Тем временем Алиса охарактеризовала атмосферу как по выбросам атмосферных молекул ( свечение атмосферы ), так и по затемнению фоновых звезд, когда они проходят позади Плутона ( затмение ). Во время и после самого близкого сближения SWAP и PEPSSI исследовали верхнюю часть атмосферы и ее влияние на солнечный ветер. VBSDC искал пыль, делая выводы о частоте столкновений метеороидов и наличии невидимых колец. REX выполнил активную и пассивную радионауку. Связь антенна на Земле измерила исчезновение и повторное появление радиозатменного сигнала , когда зонд пролетал позади Плутона. Результаты определили диаметр Плутона (по времени), а также плотность и состав атмосферы (по характеру ослабления и усиления). (Алиса может выполнять похожие затмения, используя солнечный свет вместо радиомаяков.) В предыдущих миссиях космический корабль передавал данные через атмосферу на Землю («нисходящая линия связи»). Масса Плутона и распределение массы оценивались с помощью гравитационного тягового усилия космического корабля. По мере того, как космический корабль ускоряется и замедляется, радиосигнал демонстрировал доплеровский сдвиг . Доплеровский сдвиг измерялся путем сравнения с ультрастабильным генератором в коммуникационной электронике.
Отраженный солнечный свет от Харона позволил провести некоторые визуальные наблюдения ночной стороны. Подсветка Солнцем дала возможность выделить любые кольца или атмосферные дымки. REX выполнил радиометрию ночной стороны.
Лучшее пространственное разрешение малых спутников New Horizons составляет 330 м на пиксель (1080 футов/пикс) у Никса, 780 м/пикс (2560 футов/пикс) у Гидры и приблизительно 1,8 км/пикс (1,1 мили/пикс) у Кербероса и Стикса. Оценки размеров этих тел следующие: Никс — 49,8 × 33,2 × 31,1 км (30,9 × 20,6 × 19,3 мили); Гидра — 50,9 × 36,1 × 30,9 км (31,6 × 22,4 × 19,2 мили); Керберос — 19 × 10 × 9 км (11,8 × 6,2 × 5,6 мили); и Стикс 16 × 9 × 8 км (9,9 × 5,6 × 5,0 миль). [148]
Первоначальные прогнозы представляли Кербер как относительно большой и массивный объект, темная поверхность которого привела к тому, что он имел слабое отражение. Это оказалось неверным, поскольку изображения, полученные New Horizons 14 июля и отправленные на Землю в октябре 2015 года, показали, что Кербер был меньше по размеру, 19 км (12 миль) в поперечнике, с сильно отражающей поверхностью, что предполагает наличие относительно чистого водяного льда, аналогичного остальным меньшим лунам Плутона. [149]
Медиа, связанные с фотографиями системы Плутона от New Horizons на Wikimedia Commons
Вскоре после пролета Плутона, в июле 2015 года, New Horizons сообщил, что космический аппарат исправен, его траектория полета находится в пределах нормы, и были зарегистрированы научные данные о системе Плутон–Харон. [150] [151] Первоочередной задачей космического аппарата было начать возвращать 6,25 гигабайт собранной информации. [18] Потери на трассе в свободном пространстве на расстоянии 4,5 световых часа (3 миллиарда км или 20 а.е. или 1,9 миллиарда миль) составляют приблизительно 303 дБ на частоте 7 ГГц. При использовании антенны с высоким коэффициентом усиления и передачей на полной мощности сигнал от EIRP составляет +83 дБм, а на этом расстоянии сигнал, достигающий Земли, составляет −220 дБм. Уровень принимаемого сигнала (RSL) с использованием одной нерешетчатой антенны Deep Space Network с 72 дБи прямого усиления равен −148 дБм. [152] Из-за чрезвычайно низкого RSL он мог передавать данные только со скоростью от 1 до 2 килобит в секунду . [153]
К 30 марта 2016 года, примерно через девять месяцев после пролета, New Horizons достиг половины пути передачи этих данных. [154] Передача была завершена 25 октября 2016 года в 21:48 UTC, когда последняя часть данных — часть последовательности наблюдений Плутона и Харона с помощью тепловизора Ralph/LEISA — была получена Лабораторией прикладной физики Университета Джонса Хопкинса . [18] [155]
По состоянию на ноябрь 2018 года, на расстоянии 43 а.е. (6,43 млрд км; 4,00 млрд миль) от Солнца и 0,4 а.е. (60 млн км; 37 млн миль) от 486958 Аррокот, [156] New Horizons направлялся в направлении созвездия Стрельца [157] со скоростью 14,10 км/с (8,76 миль/с ; 2,97 а.е./год ) относительно Солнца. [156] Яркость Солнца с космического корабля составляла звездную величину -18,5. [157]
17 апреля 2021 года New Horizons достиг расстояния в 50 а.е. от Солнца, оставаясь при этом полностью работоспособным. [158]
Команда New Horizons запросила и получила продление миссии до 2021 года для исследования дополнительных объектов пояса Койпера (KBO). Финансирование было обеспечено 1 июля 2016 года. [159] Во время этой расширенной миссии пояса Койпера (KEM) космический аппарат совершил близкий пролет мимо 486958 Arrokoth и проведет более отдаленные наблюдения еще двух десятков объектов, [160] [159] [161] и, возможно, совершит пролет мимо другого KBO. [ необходима цитата ]
Планировщики миссии искали один или несколько дополнительных объектов пояса Койпера (KBO) диаметром порядка 50–100 км (30–60 миль) в качестве целей для пролетов, подобных встрече космического корабля с Плутоном. Однако, несмотря на большую популяцию KBO, многие факторы ограничивали количество возможных целей. Поскольку траектория полета была определена пролетом Плутона, а у зонда оставалось всего 33 кг (73 фунта) гидразинового топлива , объект , который нужно было посетить, должен был находиться в пределах конуса шириной менее градуса, простирающегося от Плутона. Цель также должна была находиться в пределах 55 а. е., поскольку за пределами 55 а. е. линия связи становится слишком слабой, а выходная мощность РИТЭГа значительно снижается, чтобы затруднить наблюдения. [162] Желательные объекты пояса Койпера имеют диаметр более 50 км (30 миль), нейтральный цвет (чтобы контрастировать с красноватым Плутоном) и, по возможности, имеют луну, которая вызывает колебание. [ необходима цитата ]
В 2011 году ученые миссии начали поиск KBO New Horizons , специализированное обследование подходящих KBO с использованием наземных телескопов. Большие наземные телескопы с широкоугольными камерами, в частности, два 6,5-метровых телескопа Magellan в Чили, 8,2-метровая обсерватория Subaru на Гавайях и телескоп Canada–France–Hawaii [120] [163] использовались для поиска потенциальных целей. Участвуя в гражданском научном проекте под названием Ice Hunters, общественность помогала сканировать телескопические изображения для возможных подходящих кандидатов для миссии. [164] [165] [166] [167] [168] Наземный поиск привел к открытию около 143 KBO, представляющих потенциальный интерес, [169] но ни один из них не находился достаточно близко к траектории полета New Horizons . [163] Считалось, что только космический телескоп Hubble сможет вовремя найти подходящую цель для успешной миссии KBO. [170] 16 июня 2014 года на Хаббле было выделено время для поиска. [171] У Хаббла гораздо больше возможностей находить подходящие объекты пояса Койпера, чем у наземных телескопов. Вероятность того, что цель для New Horizons будет найдена, была заранее оценена примерно в 95%. [172]
15 октября 2014 года стало известно, что поиски Хаббла выявили три потенциальные цели, [173] [174] [175] [176] [177] временно обозначенные командой New Horizons как PT1 («потенциальная цель 1»), PT2 и PT3 . В конечном итоге в качестве цели была выбрана PT1, которая получила название 486958 Arrokoth .
Все объекты имели предполагаемые диаметры в диапазоне 30–55 км (19–34 миль) и были слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью наземных телескопов. Цели находились на расстоянии от Солнца от 43 до 44 а.е., что позволило бы отнести встречи к периоду 2018–2019 гг. [174] Первоначальные предполагаемые вероятности того, что эти объекты были достижимы в пределах топливного бюджета New Horizons , составляли 100%, 7% и 97% соответственно. [174] Все они были членами «холодных» (с малым наклоном , малым эксцентриситетом ) классических объектов пояса Койпера и, таким образом, сильно отличались от Плутона.
PT1 (получивший временное обозначение «1110113Y» на веб-сайте HST [178] ), наиболее благоприятно расположенный объект, имел звездную величину 26,8, диаметр 30–45 км (19–28 миль) и был обнаружен в январе 2019 года. [179] Изменение курса для достижения его потребовало около 35% имеющегося запаса топлива для корректировки траектории New Horizons . Миссия к PT3 была в некотором смысле предпочтительнее, поскольку он ярче и, следовательно, вероятно, больше, чем PT1, но большие требования к топливу для его достижения оставили бы меньше на маневрирование и непредвиденные события. [174]
После того, как было предоставлено достаточно орбитальной информации, Центр малых планет дал предварительные обозначения трем целевым объектам пояса Пояса: 2014 MU 69 (позднее 486958 Аррокот) (PT1), 2014 OS 393 (PT2) и 2014 PN 70 (PT3). К осени 2014 года возможная четвертая цель, 2014 MT 69 , была исключена последующими наблюдениями. PT2 выбыл из гонки до пролета Плутона. [180] [181]
28 августа 2015 года в качестве цели пролета был выбран 486958 Аррокот (тогда известный как (486958) 2014 MU 69 и получивший прозвище Ultima Thule ) (PT1). Необходимая корректировка курса была выполнена с четырьмя включениями двигателей в период с 22 октября по 4 ноября 2015 года. [182] [183] Пролет состоялся 1 января 2019 года в 00:33 UTC. [184] [185]
Помимо пролета мимо 486958 Аррокота, расширенная миссия New Horizons предусматривает, что космический аппарат проведет наблюдения и поиск кольцевых систем вокруг 25–35 различных объектов пояса Койпера. [186] Кроме того, он продолжит изучать состав газа, пыли и плазмы пояса Койпера до окончания продления миссии в 2021 году. [160] [161] [ требуется обновление ]
2 ноября 2015 года New Horizons сфотографировал KBO 15810 Arawn с помощью инструмента LORRI с расстояния 280 миллионов км (170 миллионов миль; 1,9 а.е.). [187] Этот KBO был снова сфотографирован инструментом LORRI 7–8 апреля 2016 года с расстояния 111 миллионов км (69 миллионов миль; 0,74 а.е.). Новые изображения позволили научной группе дополнительно уточнить местоположение 15810 Arawn с точностью до 1000 км (620 миль) и определить его период вращения 5,47 часа. [188] [189]
В июле 2016 года камера LORRI сделала несколько снимков Квавара с расстояния 2,1 млрд км (1,3 млрд миль; 14 а.е.); косой вид дополнит наблюдения с Земли для изучения свойств рассеивания света объектом. [190]
5 декабря 2017 года, когда New Horizons находился на расстоянии 40,9 а. е. от Земли, калибровочное изображение скопления Wishing Well стало самым дальним изображением, когда-либо полученным космическим аппаратом (побив 27-летний рекорд, установленный знаменитой Pale Blue Dot Voyager 1 ) . Два часа спустя New Horizons превзошел свой собственный рекорд, сделав снимки объектов пояса Койпера 2012 HZ 84 и 2012 HE 85 с расстояния 0,50 и 0,34 а. е. соответственно. Это были самые близкие изображения объекта пояса Койпера, полученные помимо Плутона и Аррокота, по состоянию на февраль 2018 года . [191] [192][обновлять]
Карликовая планета Хаумеа наблюдалась издалека космическим аппаратом New Horizons в октябре 2007 г., январе 2017 г. и мае 2020 г. с расстояния 49 а.е., 59 а.е. и 63 а.е. соответственно. New Horizons наблюдал карликовые планеты Эрида (2020 г.), Хаумеа (2007, 2017, 2020 г.), Макемаке (2007, 2017 г.) и Квавар (2016, 2017, 2019 г.), а также крупные объекты пояса Пояса Койпера Иксион (2016 г.), 2002 MS 4 (2016, 2017, 2019 г.) и 2014 OE 394 (2017, 2018 г.). В 2019 году он также наблюдал крупнейший спутник Нептуна Тритон (который имеет сходство с Плутоном и Эрисом). [193]
Медиа, связанные с фотографиями объектов пояса Койпера, сделанными New Horizons на Wikimedia CommonsК декабрю 2023 года New Horizons открыл в общей сложности около 100 объектов пояса Койпера и пролетел достаточно близко к 20 из них, чтобы зафиксировать такие характеристики, как форма, период вращения, возможные луны и состав поверхности. Кроме того, с 2021 года канадские исследователи смогли использовать программное обеспечение машинного обучения для ускорения процессов идентификации потенциальных целей пояса Койпера для третьего пролета, сократив недельные усилия до часовых. [193] [194]
Научные цели пролета включали характеристику геологии и морфологии Аррокота [195] [196] и картирование состава поверхности (путем поиска аммиака, оксида углерода, метана и водяного льда). Поиски будут проводиться для орбитальных спутников, комы, колец и окружающей среды. [197] Дополнительные цели включают: [198]
Аррокот — первый объект, который будет выбран для пролёта, обнаруженного после запуска космического корабля. [199] Планировалось, что New Horizons пройдёт в пределах 3500 км (2200 миль) от Аррокота, в три раза ближе, чем предыдущая встреча космического корабля с Плутоном. Ожидались изображения с разрешением до 30 м (98 футов) на пиксель. [200]
Новая миссия началась 22 октября 2015 года, когда New Horizons выполнил первый из серии из четырех первоначальных маневров наведения, предназначенных для отправки его в сторону Аррокота. Маневр, который начался примерно в 19:50 UTC и использовал два небольших двигателя космического корабля, работающих на гидразине, длился около 16 минут и изменил траекторию космического корабля примерно на 10 метров в секунду (33 фута/с). Оставшиеся три маневра наведения состоялись 25 октября, 28 октября и 4 ноября 2015 года. [201] [202]
Аппарат был выведен из спящего режима примерно в 00:33 UTC SCET 5 июня 2018 года (06:12 UTC ERT , время, полученное с Земли) [a] для подготовки к фазе сближения. [204] [205] После проверки его состояния работоспособности 13 августа 2018 года космический аппарат перешел из режима стабилизации вращения в режим стабилизации по трем осям. Официальная фаза сближения началась 16 августа 2018 года и продолжалась до 24 декабря 2018 года. [206]
New Horizons впервые обнаружил Аррокот 16 августа 2018 года с расстояния 172 млн км (107 млн миль). В то время Аррокот был виден с величиной 20 на фоне густого звездного фона в направлении созвездия Стрельца . [207] [208]
Фаза ядра началась за неделю до встречи и продолжалась в течение двух дней после встречи. Космический корабль пролетел мимо объекта со скоростью 51 500 км/ч (32 000 миль/ч; 14,3 км/с) и в пределах 3500 км (2200 миль). [209] Большая часть научных данных была собрана в течение 48 часов с момента наибольшего сближения в фазе, называемой Внутренним ядром. [206] Наименьшее сближение произошло 1 января 2019 года в 05:33 UTC [210] SCET, в этот момент зонд был43,4 а.е. от Солнца . [211] На этом расстоянии время одностороннего прохождения радиосигналов между Землей и New Horizons составляло шесть часов. [197] Подтверждение того, что аппарату удалось заполнить свои цифровые регистраторы, произошло, когда данные прибыли на Землю десять часов спустя, в 15:29 UTC. [212]
После встречи предварительные высокоприоритетные данные были отправлены на Землю 1 и 2 января 2019 года. 9 января New Horizons вернулся в режим стабилизации вращения, чтобы подготовить отправку оставшихся данных обратно на Землю. [206] Ожидалось, что эта загрузка займет 20 месяцев при скорости передачи данных 1–2 килобита в секунду . [213] По состоянию на июль 2022 года оставалось получить около 10% данных. [214]
В апреле 2020 года New Horizons использовался совместно с телескопами на Земле для получения снимков близлежащих звезд Проксима Центавра и Вольф 359 ; изображения с каждой точки обзора — на расстоянии более 6,4 млрд км (4 млрд миль) друг от друга — сравнивались, чтобы создать «первую демонстрацию легко наблюдаемого звездного параллакса ». [215]
Изображения, полученные камерой LORRI, когда New Horizons находился на расстоянии 42–45 а. е. от Солнца, использовались для измерения космического оптического фона, видимого светового аналога космического микроволнового фона , в семи областях высоких галактических широт. На этом расстоянии New Horizons увидел небо в десять раз темнее, чем небо, видимое космическим телескопом Хаббл, из-за отсутствия диффузной фоновой яркости неба от зодиакального света во внутренней солнечной системе. Эти измерения показывают, что общее количество света, излучаемого всеми галактиками в ультрафиолетовом и видимом диапазонах длин волн, может быть ниже, чем считалось ранее. [216] [217]
Космический аппарат достиг расстояния в 50 а. е. (7,5 млрд км; 4,6 млрд миль) 17 апреля 2021 года в 12:42 UTC, что было совершено всего четыре раза ранее аппаратами Pioneer 10 , Pioneer 11 , Voyager 1 и Voyager 2. Voyager 1 является самым дальним космическим аппаратом от Солнца, находящимся на расстоянии более 152 а. е. (22,7 млрд км; 14,1 млрд миль) от него, когда New Horizons достиг своей отметки в 2021 году. [158] Группа поддержки продолжила использовать космический аппарат в 2021 году для изучения гелиосферной среды (плазмы, пыли и газа) и изучения других объектов пояса Койпера. [218]
После того, как космический аппарат пролетел над Аррокотом, приборы по-прежнему сохраняют достаточный уровень мощности для работы до 2030-х годов.
Руководитель группы Алан Стерн заявил, что существует потенциал для третьего пролета в 2020-х годах на внешних краях пояса Койпера. [219] [220] Это зависит от того, будет ли найден или подтвержден подходящий объект пояса Койпера достаточно близко к текущей траектории космического корабля. С мая 2020 года команда New Horizons использовала время на телескопе Subaru для поиска подходящих кандидатов в непосредственной близости от космического корабля. По состоянию на июнь 2024 года подходящих целей найдено не было. Начиная с 2025 года New Horizons сосредоточится на конкретных гелиофизических данных, как заявило NASA в сентябре 2023 года. Он останется доступным для пролета другой цели, пока не покинет пояс Койпера в 2028 году. [221]
New Horizons также может сделать снимок Земли с расстояния в поясе Койпера, но только после завершения всех запланированных пролетов мимо объектов пояса Койпера и получения изображений Урана и Нептуна. [222] [223] Это связано с тем, что направление камеры на Землю может привести к ее повреждению солнечным светом, [224] поскольку ни одна из камер New Horizons не имеет активного затвора. [225] [226]
New Horizons был назван «самым быстрым космическим аппаратом из когда-либо запущенных» [7], потому что он покинул Землю со скоростью 16,26 километра в секунду (58 536 км/ч; 36 373 миль/ч). [8] [9] Это также первый космический аппарат, запущенный непосредственно на траекторию выхода из Солнца, которая требует приблизительной скорости вблизи Земли 16,5 км/с (59 000 км/ч; 37 000 миль/ч), [b] плюс дополнительная дельта- v для покрытия сопротивления воздуха и гравитации , все это должно быть обеспечено ракетой-носителем. По состоянию на 2 мая 2024 года космический аппарат находится в 58,80 а.е. (8,796 млрд км; 5,466 млрд миль) от Солнца, двигаясь со скоростью 13,68 километра в секунду (49 200 км/ч; 30 600 миль/ч). [227]
Однако это не самый быстрый космический корабль, покинувший Солнечную систему. По состоянию на июль 2023 года [обновлять]этот рекорд принадлежит Voyager 1 , который двигался со скоростью 16,985 км/с (61 146 км/ч; 37 994 миль/ч) относительно Солнца. [157] Voyager 1 достиг большей гиперболической избыточной скорости , чем New Horizons, из-за гравитационных усилий Юпитера и Сатурна. Когда New Horizons достигнет расстояния 100 а.е. (15 миллиардов км; 9,3 миллиарда миль), он будет двигаться со скоростью около 13 км/с (47 000 км/ч; 29 000 миль/ч), что примерно на 4 км/с (14 000 км/ч; 8 900 миль/ч) медленнее, чем Voyager 1 на этом расстоянии. [228] Солнечный зонд Parker также может быть измерен как самый быстрый объект из-за его орбитальной скорости относительно Солнца в перигелии : 95,3 км/с (343 000 км/ч; 213 000 миль/ч). [c] Поскольку он остается на солнечной орбите, его удельная орбитальная энергия относительно Солнца ниже, чем у New Horizons и других искусственных объектов, покидающих Солнечную систему .
Третья ступень Star 48B аппарата New Horizons также находится на гиперболической траектории выхода из Солнечной системы и достигла Юпитера раньше космического аппарата New Horizons ; ожидалось, что он пересечет орбиту Плутона 15 октября 2015 года. [229] Поскольку он не находился в управляемом полете, он не получил правильного гравитационного маневра и прошел в пределах 200 миллионов км (120 миллионов миль) от Плутона. [229] Вторая ступень Centaur не достигла скорости выхода за пределы Солнца и остается на гелиоцентрической орбите. [230] [c]
