«Земля и Вселенная» 1993 №5




Зарубежная
космонавтика



Проект «Улисс».
Позади первый этап

В октябре 1990 г. во время орбитального полета американского многоразового корабля «Дискавери» из его грузового отсека экипаж вывел в космос космический аппарат «Улисс», которому предстояло совершить уникальное путешествие по Солнечной системе (Земля и Вселенная, 1990, № 5; 1991, № 1). Через несколько часов аппарат, чья основная цель — добыть новые данные о Солнце, был переведен на орбиту межпланетного перелета, но в отличие от всех своих предшественников, направился не к самому светилу, а в обратном направлении.

Так началось путешествие нового, теперь уже космического Одиссея (Улисс — римское имя героя греческой мифологии Одиссея, прославившегося своим многолетним и полным приключений путешествием). В 1992 г. он миновал важный этап своего маршрута. Научным результатам этого события и посвящена статья.


Траектория полета космического аппарата «Улисс» в Солнечной системе.
Рис. NASA


СМЕЛЫЙ ЗАМЫСЕЛ

Исследования Солнца космическими аппаратами велись с первых лет освоения внеземного пространства. Почти каждый эксперимент приносил новую информацию, однако все они обладали одним общим недостатком — траектория полета космических зондов была такова, что наблюдения осуществлялись лишь в области солнечного экватора, а приполярные области нашего светила оставались недоступны.

Причина — в том, что все аппараты, запускаемые на межпланетные орбиты, совершали полет в плоскости эклиптики или с небольшим удалением от нее. Отсутствие же данных о полярных областях Солнца и о межпланетном пространстве над ними не позволяло составить целостного представления о нем самом и более точно сформулировать модель околосолнечного пространства. Этот пробел в наших знаниях и был призван заполнить «Улисс».

Первый замысел такого полета появился примерно два десятилетия назад. Вначале предполагалось запустить два космических аппарата (КА) — Европейского космического агентства (ESA), и NASA. Однако из-за финансовых проблем было принято решение построить один «компромиссный» КА, которому предстояло осуществить комплексные исследования по совместной, согласованной между ESA и NASA программе, носящей название ISPM (International Solar Polar Mission — «Международный полет к полюсам Солнца»). Выведение на орбиту осуществлено американским «Шаттлом». Из девяти научных приборов, установленных на его борту, четыре «европейских» и пять «американских». Аппарат был готов к запуску в 1986 г., но катастрофа «Челленджера» в январе этого года заставила пересмотреть график всех запланированных полетов кораблей «Шаттл» и отложить их на более позднее время.

Разгонные блоки вывели «Улисс» на межпланетную траекторию, однако КА направился не к главной цели своего путешествия, пересекая орбиты Венеры и Меркурия, а в противоположную сторону — к Юпитеру. Такое необычное решение было принято из-за того, что значительное удаление от плоскости эклиптики в случае прямого старта с Земли потребовало бы очень высокого начального импульса движения, а значит, и чрезмерно большого количества топлива для разгонных блоков. Зато совершив маневр в гравитационном поле планеты, «Улисс» получил бы импульс, необходимый для изменения первоначального направления полета, «даром». Такие маневры (их называют пертурбационными) давно и успешно применяются в космонавтике, позволяя существенно изменять траектории КА с небольшим расходом топлива (его запасы, как правило, ограничены). Правда, такое решение значительно удлиняет продолжительность полета, но с этой потерей ученые согласны были смириться, лишь бы получить недоступную ранее информацию.

Страны, участвующие в научных исследованиях с борта КА «Улисс»

Объект изученияНазвание экспериментаСтрана
1. Космическая пыльDUSTГермания
2. Космические лучи и солнечные частицыCOSPIN (Cosmic-Ray and Solar Particle I Investigation)США
3. Состав энергичных частиц и межзвездный газEPAC/GAS (Energetic Particle Composition/Interstellar Neutrale GAS experiment)Германия
4. Ионы и электроны низких энергийHI-SCALE (Heliosphere Instrument for Spectra Composition and Aniso-tropy of Low Energies)США
5. Магнитометрические измеренияFGM/VHM (Flux Gate Magnetometr/Vector Helium Magnetometr)Англия
6. Состав солнечного ветра (ионы)SWICS (Solar-Wind Ion Composition Spectro-metr)США
7. Плазменные измерения (солнечный ветер)SWOOPS (Solar-Wind observation Over the Poles of the Sun: ion and electron measurment)Швейцария
США
8. Солнечные рентгеновские и космические гамма-всплескиGRB (Solar X-Rays and Cosmic Gamma-Ray Burst experiment)США
Германия
9. Радио— и плазменные волныURAP (Unified Radio and Plasma Wave experiment)США
10. Гравитационные волныGWE (Radio-science Gravitation Wave Experiment)Италия
11. Солнечная коронаSCE (Radio-science Solar Corona Experiment)Германия
ПРОГРАММА ПОЛЕТА

Для «Улисса», стартовавшего в октябре 1990 г., был выбран следующий график: через 16 месяцев (в феврале 1992 г.) он огибает Юпитер, а в 1994 г. пролетает на расстоянии около 350 млн. км «под» южной полярной областью Солнца. Затем КА пересекает плоскость эклиптики на расстоянии около 200 млн. км от Солнца и в 1995 г. окажется «над» его северной полярной областью.

Масса «Улисса» около 370 кг, из которых около 55 кг приходится на научную аппаратуру. Его герметичный корпус имеет размеры 3,2 Х 3,3 X 2,1 м, мощность энергетической установки (она радиоизотопная, топливом служит плутоний-238) — 285 — 255 Вт (постепенно уменьшается со временем). На КА установлены два передатчика мощностью 20 и 5 Вт и параболическая антенна диаметром 1,65 м. На выносной штанге размещен магнитометр. В космосе раскрываются еще две антенны (радиальная и осевая). Информация с борта «Улисса» передается в реальном масштабе времени со скоростью 1024 бит/с, и кроме этого предусмотрен режим записи данных со скоростью 512 бит/с.

Научная программа полета «Улисса», помимо основной задачи — исследований Солнца, — предусматривает проведение различных измерений на трассе полета к Юпитеру и от него к Солнцу. Из-за ограничений в финансировании на борту аппарата нет фото — и телекамер. Научные приборы обеспечивают измерения характеристик космической пыли, космических лучей, солнечного ветра, проведение плазменных экспериментов и магнитометрические измерения.

Рисунок изображает «Улисс» после его выведения из грузового отсека «Шаттла». Космический аппарат (небольшой четырехугольный с антенной, слева) переведен на траекторию межпланетного перелета к Юпитеру связкой из двух разгонных блоков: IUS (большой светлый цилиндр справа) и РАМ (небольшая сфера под аппаратом). Рис. NASA

Последние два из перечисленных в таблице экспериментов будут проведены с учетом результатов анализа распространения радиоволн, радиослежения и траекторных измерений. Исследуя доплеровский сдвиг частот радиоволн при движении КА ученые попытаются зарегистрировать гравитационные волны. Солнечную корону (ее температура, плотность, турбулентность) предполагается изучать, анализируя прохождение радиосигналов с КА на Землю при облете Солнца. Стоит остановиться подробнее на каждом из экспериментов.

Эксперимент DUST проводится как во время полета по трассам Земля — Юпитер и Юпитер — Солнце, так и при облете планеты. Регистрировались соударения с частицами от 10-15 до 10-9 гг. В межпланетном пространстве аппаратура регистрировала в среднем один удар пылевой частицы за неделю, при пролете же вблизи Юпитера число их достигло восьми (размер 1-10 мкм). Две из них — частицы межпланетной космической пыли, видимо, попавшие в окрестности планеты из-за притяжения Юпитером, а остальные входят в состав разреженного пылевого кольца (они зарегистрированы при пролете экваториальной области планеты). Это слабовыраженное кольцо было обнаружено при пролете зондов «Вояджер-1» и «Вояджер-2» в 1979 г. Полученные от «Улисса» данные свидетельствуют о том, что ширина кольца больше, чем предполагалось на основании предыдущих измерений. Часть пылинок, по-видимому, имеет вулканическое происхождение (вулканы на Ио), другая часть, вероятно, откололась от песчинок, вращающихся вокруг планеты. Результаты эксперимента, возможно, помогут решить проблему происхождения пылевых частиц, однако это будет сделано после анализа космохимических данных о составе пыли.


Схематическое изображение магнитосферы Юпитера и путь «Улисса» через нее. Этот и остальные рис. заимствованы из «Бюллетеня ESA», ноябрь, 1992 г.

Эксперимент COSPIN — регистрация солнечных частиц с энергиями от 0,3 до 600 МэВ/нуклон и электронов от 4 до 2000 МэВ. В эксперименте EPAS/CAS предполагалось оценить состав межпланетных ионов (ионы от 80 кэВ до 15 МэВ/ нуклон) и содержание межзвездного нейтрального гелия. Программой HI-SCALE предусматриваются гелиосферные исследования спектрального состава и анизотропии частиц низких энергий, регистрация ионов с энергиями от 50 кэВ до 5 МэВ и электронов от 30 кэВ до 300 кэВ.

Прибором SWICS проведено измерение состава, определение температуры и скорости ионов солнечного ветра от 145 км/с (для Н+) до 1,352 км/с (для F+8). Прибор SWOOPS предназначен для регистрации ионов (от 257 эВ/заряд от 35 кэВ/ заряд) и электронов от 1 до 903 эВ. В эксперименте URAP запланированы комплексные измерения плазменных волн (0-60 кГц), электронной плотности, солнечных радиовсплесков (1-940 кГц).

Другие, как уже проведенные эксперименты, так и те, что еще предстоят, весьма взаимосвязаны, поскольку динамика любых процессов, т.е. поведение всех видов частиц, обусловлена присутствием магнитного поля на протяжении всего полета (на трассе полета — межпланетного, у Юпитера — собственного). Магнитометр на КА измеряет напряженность поля и покомпонентное измерение магнитного поля в гелиосфере и магнитосфере Юпитера (в пределах от 0,01 до 44 X 103 нанотесла, нТ).

Траектория пролета «Улисса» вблизи Юпитера. Минимальное расстояние между аппаратом и планетой составило 6,3 радиуса Юпитера. Вертикальные штрихи, нанесенные на проекцию траектории, разделены интервалами в три часа. Стрелка указывает направление на Солнце, цифры по осям — расстояния в радиусах Юпитера
Данные о напряженности магнитного поля Юпитера, переданные «Улиссом»: а) при входе в магнитосферу, в) при удалении от планеты. По вертикали — напряженность магнитного поля в нанотеслах, по горизонтали — расстояние от планеты в ее радиусах








Плотность электронов внутри «плазменного тора Ио», зарегистрированная во время эксперимента URAP. Для сравнения указана расчетная кривая, построенная по данным «Вояджеров»


Результаты регистрации ионов и электронов в магнитосфере Юпитера в ходе эксперимента HI-SCALE. Вверху — спектрограммы энергий, внизу — количество зарегистрированных частиц

«УЛИСС» ВБЛИЗИ ЮПИТЕРА

«Улисс» совершил облет Юпитера примерно за две недели, передав огромное количество информации. Поэтому лишь комплексное рассмотрение совокупности полученных данных позволит ученым сделать более основательные выводы о процессах, происходящих в околопланетном пространстве.

Особенность траектории полета КА вблизи Юпитера заключалась в том, что он огибал планету «сверху», т. е. над областями высоких широт, обладая большими возможностями для измерений, которые и были успешно реализованы. Проведены наблюдения в области так называемого северного каспа, затем КА прошел внутри орбиты Ио, пересек «плазменный тор», расположенный внутри нее, и облетел Юпитер «снизу». Напряженность магнитного поля в этой области оказалась около 2,4 мкТл, т. е. в тысячи раз больше, чем и в межпланетном пространстве, и в магнитном поле Земли.

Непосредственные измерения магнитного поля планеты производились ранее и измерения с борта «Улисса» подтвердили полученный ранее основной результат: ось магнитного поля наклонена к оси вращения примерно на 10°.

Магнитосфера Юпитера более «плоская», чем земная, имеющая форму вытянутой капли. Это, по-видимому, и стало причиной того, что КА вошел в нее несколько ранее, чем предсказывали расчеты, сделанные на основании данных «Вояджеров».

Из результатов измерений следует, что магнитосфере присуща определенная «эластичность». Магнитное поле образуется двумя составляющими: собственным внутренним магнитным полем планеты (90%) и полем, создаваемым магнито-плазменным диском (10%) вокруг нее. В пределах этого тонкого диска протекают электрические токи огромной мощности (109 А), которые и генерируют свое магнитное поле. Уточнение его конфигурации и роли таких крупномасштабных токовых систем в строении и динамике магнитного поля — станет одним из важнейших научных результатов эксперимента.

Приборы аппарата наблюдали ионы и электроны в различных энергетических диапазонах, измеряли гамма— и рентгеновское излучение, регистрировали радио— и плазменные волны.

Данные, полученные в эксперименте SWICS, позволят уточнить взгляд на «историю жизни» магнитосферной плазмы Юпитера, которая состоит из трех компонентов — частиц солнечного ветра, атмосферных ионов и частиц вулканического происхождения. Они дадут возможность более точно оценить механизм крупномасштабного «перемешивания» всех этих трех видов вещества. Совместные данные прибора SWOOPS и магнитометра помогут уточнить границы различных участков магнитосферы и динамику этих границ.

Исследования плазменного тора Ио (программа «lo Plasma Torus-IPT») были проведены как непосредственно в ходе полета (прибор URAP), так и на основании анализа прохождения радиосигналов по трассе КА—Земля.

Анализируя предварительные данные, можно предположить, что вулканическая активность Ио в последнее время несколько уменьшилась, однако присутствие ионизированных атомов серы и кислорода все же, по-прежнему, четко обнаруживается приборами. Именно в результате ионизации атомов серы и кислорода мощными радиационными поясами (частицы, захваченные и удержанные магнитным полем) образуется плазменный пояс («тор Ио»), вовлекаемый во вращение магнитным полем. По полученным ориентировочным оценкам, его «толщина» порядка трех радиусов планеты, однако структура «тора» неоднородна, т. е. он не является непрерывным кольцом, у него есть отдельные «активные» участки.

Изображение (в условных цветах) северного полярного региона Юпитера, полученное камерой слабых объектов Космического телескопа им. Хаббла (она установлена ESA). Полярное сияние, видимое здесь (его основная область отмечена светлым кольцом) было зарегистрировано и приборами «Улисса»

Проводился эксперимент по изучению радиоизлучения Юпитера (прибор URAP). Во внешних областях «тора» были обнаружены «долгоживущие» дискретные источники километрового излучения (вращающиеся вместе с планетой). Результаты измерений в диапазоне длин волн порядка десятков метров не поддаются на сегодняшний день ясному теоретическому объяснению. Как и при полете «Вояджера», обнаружены всплески радиоизлучения (их на записях довольно много), а на низких частотах непрерывная часть спектра наблюдалась довольно далеко; интенсивность и частотные характеристики спектра изменялись в зависимости от давления солнечного ветра.

Полученная в результате облета Юпитера информация дополнила уже имеющиеся сведения о планете, добытые в предыдущих четырех полетах («Пионер-10, -11», «Вояджер-1, -2»). Новые данные не являются, вообще говоря, сенсационными, но ценность их в том, что КА прошел через магнитосферу по совершенно уникальной траектории, причем работали одновременно несколько приборов. Это позволит создать более точную трехмерную модель магнитосферы и происходящих в ней процессов.

Итак, Юпитер позади, «Улисс» лёг на новый курс, и мы ждем лета следующего года, когда он прибудет к цели своего путешествия.

С. М. ДЬЯЧЕНКО

Рейтинг@Mail.ru Топ-100