Юпитер — Миссия Pioneer 10

Миссия Pioneer 10

"Пионер-10" - беспилотный космический аппарат НАСА, предназначенный, главным образом, для изучения Юпитера. Это был первый аппарат, пролетевший мимо Юпитера и сфотографировавший его из космоса.

Масса аппарата составляла 260 кг, в том числе 30 кг научных приборов; высота - 2,9 м, максимальный поперечный размер (диаметр отражателя стронаправленной антенны) - 2,75 м.

В качестве источника питания были выбраны четыре радиоизотопных генератора (РИГ) SNAP-19 на плутонии-238, изготовленные компанией Teledyne Isotopes из топливных дисков Лос-Аламосской лаборатории, с суммарной мощностью 155 Вт в начале полета и 140 Вт к моменту прилета к Юпитеру. Для питания систем КА было нужно 100 Вт, для научной аппаратуры - еще 26 Вт. Избытком мощности заряжали серебряно-кадмиевую аккумуляторную батарею либо излучали его через радиатор. Чтобы РИГ создавали как можно меньшие помехи научной аппаратуре, их установили на концах двух штанг, отводимых в сторону от корпуса на 3 м после отделения КА от носителя. На третьей штанге длиной 6.6 м разместили датчик магнитометра.

Система ориентации и стабилизации включала датчик звезды Канопус и два солнечных датчика в качестве измерительных средств. Из шести сопел два смотрели вдоль оси КА вниз, два вверх и два - по касательной к окружности антенны LGA. Никакого компьютера на борту не предусматривалось. В принципе бортовые ЭВМ к моменту создания КА Pioneer 10 уже существовали, но они были еще слишком велики и тяжелы. Отсутствие компьютера автоматически означало необходимость выдачи с Земли большого количества команд, и в основном в реальном времени. Если, конечно, считать таковым радиообмен с Юпитером: 45 минут "туда", 45 "обратно".

На космический корабль была установлена параболическая антенна диаметром 2.74 метров и глубиной 46 см.

Герметичная камера аппарата представляла собой шестигранник глубиной 36 см, каждая сторона которого 71 см в длину. К каждой стороне был присоединен модуль, предназначенный для определенного научного эксперимента.

Так же были установлены:

- антенна с высоким коэффициентом усиления;

- антенна со средним коэффициентом усиления;

- всенаправленная антенна;

Радиосистема КА включала, помимо трех упомянутых антенн, два передатчика мощностью 8 Вт на лампах бегущей волны с частотой 2292 МГц (диапазон S) и два приемника на частоте 2110 МГц. Любой передатчик можно было подключить к антенне HGA либо к паре MGA/LGA. Бортовой блок цифровой телеметрии мог готовить данные в 13 разных форматах (с возможностью определения и коррекции сбойных битов) для сброса со скоростью от 16 до 2048 бит/с. Самая высокая скорость предназначалась для начального этапа полета при приеме на 26-метровую антенну; прием от Юпитера велся уже на 64-метровую антенну со скоростью 1024 бит/с. Для временного хранения информации на борту служило запоминающее устройство емкостью 49152 бит.

По командной радиолинии со скоростью 1 бит/с можно было передать 222 разных команды - из низ 149 для управления системами КА и 73 для управления научной аппаратурой. Два декодера и блок распределения команд определяли достоверность каждой команды и ее адресата. Так как команда состояла из 22 бит, на ее прием на борту требовалось 22 секунды. Поэтому аппарат имел и программную память - на пять команд, которые могли быть выполнены друг за другом с заданными временными интервалами. Чтобы обеспечить заданную продолжительность работы КА - 21 месяц, разработчики максимально упростили борт за счет усложнения наземной части. Главные компоненты задублировали, остальные ставили на борт только при наличии опыта использования в космосе.

15 февраля 1973 г., на расстоянии 3.7 а.е. от Солнца, Pioneer 10 вышел из пояса астероидов неповрежденным и приблизился к Юпитеру.

В гравитационном поле газового гиганта станция получила скорость, достаточную для ухода из Солнечной системы. В результате в феврале 1976 г. Pioneer 10 пересек орбиту Сатурна, 11 июля 1979 г. - орбиту Урана и 13 июня 1983 г. - орбиту Нептуна в 30.28 а.е. от Солнца, все еще имея скорость 13.66 км/с. За следующие 20 лет аппарат ушел еще на 50 а.е., продолжая измерения космических лучей и солнечного ветра в той области, что сейчас известна как пояс Койпера.

Различные эксперименты проводились до тех пор пока не отказывало оборудование и пока хватало мощности аппарата. В 1989 году был разработан план экономии энергии на Пионере 10, в соответствии с которым приборы для научных экспериментов работали по определенной программе - то отключались, то заново запускались.

Детектор астероидов и метеоритов прекратил работу в 1973, вслед за ним гелиевый векторный магнитометр в ноябре 1975 и инфракрасный радиометр в январе 1974. Детектор метеоритов был выключен в октябре 1980 из-за выхода из строя датчика низких температур. Сенсоры солнечного света пришли в негодность в мае 1986. Фотополяриметр был отключен в октябре 1993 в целях сохранения энергии. Приемник радиоактивных частиц и анализатор плазмы были выключены в ноябре 1993 и сентябре 1995 по той же причине.

В январе 1996 оставшуюся мощность разделили между приемником заряженных частиц (CPI), корпускулярный телескопом (CRT), телескопа Geiger Tube Telescope (GTT) (во время старта мощность генераторов составляла 155 Вт, а теперь она снизилась до 65 Вт) и ультрафиолетовым фотометром.

В августе 2000 года только GTT все еще передавал данные. Правда в дальнейшем телескоп был отключен, чтобы сэкономить энергию для включения двигателей системы ориентации во время предстоящей коррекции траектории.

Ранее было объявлено, что корректировка прошла успешно, однако недавно выяснилось, что зонд не выполнил посланную команду.

Достаточно далеко вылетев за пределы орбиты Плутона, начал испытывать силу неизвестного происхождения, вызывающую очень слабое торможение. Данное явление было названо "эффектом Пионера". Высказывалось много предположений, вплоть до неизвестных пока эффектах инерции или даже времени. Некоторые говорят просто о систематической ошибке измерения.

Последний сигнал от "Пионера-10" был получен 23 января 2003 года.

Исследование Юпитера

В 1973 и 1974 мимо Юпитера прошли "Пионер-10" и "Пионер-11" на расстоянии (от облаков) 132 тыс. км и 43 тыс. км соответственно.

В 1973 "Пионер-10" впервые пересек пояс астероидов, исследовав два астероида и обнаружив пылевой пояс ближе к Юпитеру. В декабре 1973 аппарат пролетел на расстоянии 132 тыс. км от облаков Юпитера. Были получены данные о составе атмосферы Юпитера, уточнена масса планеты, измерено её магнитное поле, а также установлено, что общий тепловой поток от Юпитера в 2,5 раза превышает энергию, получаемую планетой от Солнца.

Помимо Большого Красного Пятна, размеры которого превышают диаметр нашей планеты, обнаружено белое пятно поперечником более 10 тыс км. Инфракрасный радиометр показал, что температура внешнего облчного покрова составляет 133 K (-140 C). Было обнаружено также, что Юпитер излучает в 1,6 раза больше тепла, чем получает от Солнца.

Притяжение Юпитера сильно изменило траекторию полета аппарата. "Pioneer 10" стал двигаться по касательной к орбите Юпитера, удаляясь от Земли почти по прямой. Интересно, что шлейф магнитосферы Юпитера был обнаружен за пределами орбиты Сатурна.

"Пионер-10" также позволил уточнить плотность 4-х крупнейших спутников Юпитера.

Аппарат передал несколько сот снимков (невысокого разрешения) планеты и галилеевых спутников.

"Пионер 10" обнаружил интенсивное излучение, исходящее от Юпитера, огромное магнитное поле, предполагающее наличие проводящей ток жидкости в недрах планеты.

Радиоизмерения указывали высоту ионосферы спутника Ио от 50 до 100 км над поверхностью. Никто не предполагал увидеть ее на высоте 900 км над Ио. Различия между показаниями Пионера и Галилео указывают на то, что атмосфера и ионосфера Ио изменяются в зависимости от вулканической активности Ио. Гравитационное поле Ио, видимо, позволяет невидимому газу, выброшенному из вулканов, достигать чрезвычайных высот по сравнению с низкими высотами, достигаемыми пылью и другими вулканическими выбросами, которые отражают солнечный свет и могут быть видны на фотографиях.

"Пионер-10" и "Пионер-11" сфотографировали Ганимеда с близкого расстояния, причём были обнаружены устойчивые тёмные и светло-зеленые образования.

Увеличение концентрации астероидных частиц было замечено лишь однажды - в течение недели на отметке 2.7 а.е. от Солнца, а в среднем их количество оказалось намного меньше ожидаемого: если за март-июнь в датчики КА попала 41 пылевая частица,то за июнь-октябрь 1972 г. - 42. Pioneer 10 доказал, что пояс астероидов практической опасности не представляет; зато он обнаружил пылевой пояс значительно ближе к Юпитеру. 6 ноября с расстояния 25 млн км начались опытные съемки Юпитера фотополяриметром, а 8 ноября станция пересекла орбиту Синопе, самого далекого спутника планеты. Начался 60-суточный период пролета, за время которого на борт было передано около 16000 команд. 26 ноября аппарат пересек ударную волну на границе магнитосферы Юпитера (вдвое снизилась скорость солнечного ветра, в 10 раз подскочила энергия частиц), а 27 ноября прошел магнитопаузу. 29 ноября он миновал все внешние спутники и вступил во внутреннюю область системы Юпитера.

Регулярная съемка Юпитера началась 26 ноября. Специальная наземная система преобразовывала отдельные сканы фотополяриметра IPP, полученные при вращении аппарата, в серию снимков планеты. Они приходили в двух цветовых диапазонах - синем и красном, из которых сначала искусственно синтезировался "зеленый" кадр, а затем цветной снимок. Изображения, принятые в течение суток до пролета и суток после него, были более детальными, чем доступные с земных елескопов. Всего с борта было принято более 500 снимков. Чтобы во время пролета обезопасить аппарат от выполнения случайных команд, вызванных радиацией вблизи Юпитера, на борт раз в несколько минут отправлялась "лечебная" посылка; кроме того, спец командная последовательность немедленно восстанавливала работу фотополяриметра в случае сбоя. Такие сбои начались на расстоянии в 9 радиусов планеты и произошли 10 раз; были потеряны несколько близких планов Юпитера и единственный запланированный кадр Ио. Не будь этого сбоя, вулканы Ио могли быть обнаружены на 7 лет раньше!

Последний снимок Юпитера на подлете Pioneer 10 сделал с расстояния 203000 км, а первый на отлете - удалившись уже на 504000 км. Станция также провела съемку Европы и Ганимеда, хотя и с невысоким разрешением. В ходе радиозатмения Ио было обнаружено, что этот спутник имеет слабую атмосферу высотой до 115 км и ионосферу, простирающуюся на 700 км, а вдоль орбиты Ио имеется водородное облако. Аппарат провел первые прямые измерения магнитного поля Юпитера, характеристик заряженных частиц, составил тепловую карту планеты, определил состав верхней атмосферы. Планета оказалась чуть тяжелее, чем давали астрономические расчеты, примерно на массу земной Луны, и Pioneer 10 пришел к цели на минуту раньше расчетного времени. 4 декабря 1973 г. в 02:25 UTC станция прошла на высоте 132252 км над границей облаков Юпитера на фантастической скорости - 36.7 км/с. Высота пролета была выбрана с целью разведки радиационной обстановки.

Было проведено 15 экспериментов для изучения межпланетных и планетарных магнитных полей, параметров солнечного ветра, космических лучей, переходную область гелиосферы, области нейтрального [неионизированного] водорода, распределения масс, размеров, потоков и скорости частиц пыли, полярных сияний и радиоизлучений Юпитера, атмосферы планеты и ее спутников, в особенности Ио. Было получено много фотографий Юпитера и его спутников.

Читайте также: