Самого главного босса изучать любопытнее всего. В Солнечной системе таковым среди планет оказался Юпитер. У него масса загадок: многослойная атмосфера, мощнейшее магнитное поле, многообразие причудливых лун, могучая разрушительная гравитация и прочее, прочее. Значительная часть наших современных знаний о Юпитере базируется на открытиях, сделанных зондом «Юнона», который завершает свою миссию в этом году. Самое время рассказать об уникальных особенностях и механизмах, которые сделали этот аппарат живучим и полезным для науки.
Именем жены
Кто лучше супруги может понимать и описывать внутренний мир сильного и влиятельного мужчины – таким воспринимается солидный Юпитер. Юнона в римской мифологии – жена этого могущественного бога, которая под всей его напускной важностью могла рассмотреть истинные намерения и желания вершителя судеб. Поэтому над названием миссии долго не раздумывали: «Юнона» должна была раскрыть те недостающие сведения о природе Юпитера, которые так интриговали науку.
Впрочем, есть у ученых и инженеров NASA одна особенность – они очень любят соединять какие-то говорящие названия миссий с аббревиатурами, встраивая в уже готовые имена еще и дополнительный смысл. Так получилось и с «Юноной», которая по-английски называется Juno. Иногда это имя считают сокращением от «технического» именования – Jupiter Near-polar Orbiter.
Названием заложенный символизм не ограничивается. Несмотря на стремление сэкономить каждый килограмм при запуске, NASA сложно удержаться от внедрения в миссии деталей, которые не несут никакой научной пользы, но способствуют популяризации идей и проектов. В частности, на «Юнону» закрепили 6-граммовую алюминиевую табличку, где изображен Галилео Галилей с цитатой из дневника, выгравированной его почерком. В этой записи, сделанной в 1610 году, великий астроном описывает впервые увиденные им в телескоп крупнейшие спутники Юпитера, названные впоследствии галилеевыми.
Еще одним символическим жестом стало размещение на борту зонда трех фигурок LEGO, сделанных из того же алюминия. Они изображают Галилея, держащего в руке телескоп, самого бога Юпитера с молниями, а также его жену Юнону, которая стоит с лупой, обозначающей исследования и грядущие открытия.
Справа: три фигурки LEGO: бог Юпитер, его жена Юнона и Галилей. Фото: NASA, nasa.gov
И еще – это может показаться странным – но основная камера «Юноны», благодаря которой мы увидели множество красивейших пейзажей Юпитера и не только – это тоже «завлекающая», а не научная часть миссии. Ее там вообще могло не оказаться. Но об этом поговорим подробнее дальше, когда будем обсуждать оборудование зонда.
Визиты к Юпитеру
Надо заметить, что человечество к этому гиганту питало слабость давно. Однако замахнуться на посещение ближайшей к нам планеты из внешней части Солнечной системы удалось лишь в 1970-е. В декабре 1973 года на расстоянии 130 000 километров от Юпитера пролетел зонд «Пионер-10», который направлялся вообще в межзвездное пространство. Вклад в изучение нашего героя он сделал, обнаружив у гиганта радиационный пояс. «Пионер-11» навестил Юпитер год спустя, сделав новые снимки планеты, а также дав представление о ее магнитосфере.
Гораздо более обеспеченные широким набором научных инструментов «Вояджер-1» и «Вояджер-2» сблизились с Юпитером в 1979 году, собрав массу ценных данных о разных аспектах окружения планеты. Например, им удалось открыть тонкие кольца планеты, несколько новых лун и вулканическую активность на поверхности Ио.
Долгие годы ученым приходилось довольствоваться той информацией и снимками, которые сделали «Вояджеры». Сведения также пополняли наземные телескопы, но их инструментарий был крайне ограниченным по сравнению с зондами, работающими непосредственно в окрестностях планеты. Следующий визит состоялся лишь в 1992 году. Да и он был попутным. Это аппарат «Улисс», который вообще-то предназначался для исследования Солнца, пролетел рядом с Юпитером, чтобы использовать его гравитацию для корректировки орбиты. Ученые не могли упустить такую редкую возможность, поэтому зонд исследовал и планету, используя некоторые универсальные инструменты. В основном упор был сделан на магнитосфере гиганта.
Интерес к Юпитеру нарастал, технические возможности расширялись. Было бы несправедливо лишить планету собственной научной миссии. И таким проектом стал аппарат «Галилео», который добрался до цели в конце 1995 года и отработал на орбите Юпитера восемь лет. Основной массив научных данных об этой планете, накопленных к началу XXI века, принадлежит именно этому аппарату. Он же в самом начале своей работы сбросил в атмосферу планеты небольшой атмосферный зонд, который позволил собрать информацию о ее химическом составе.
В 2000 году даже произошло уникальное событие – рядом с Юпитером оказались сразу два космических аппарата. По пути к Сатурну эту планету навестил «Кассини». Его присутствие в системе одновременно с «Галилео» ученые использовали для скоординированных наблюдений за магнитосферой Юпитера. Кроме того, «Кассини» сделал очень качественные снимки гиганта, оценил воздействие солнечного ветра на планету, а также уточнил параметры радиационного пояса, который оказался более мощным, чем предполагалось. Все эти сведения пригодились при планировании миссии «Юноны».
А последним перед «Юноной» аппаратом, который посетил Юпитер, стал зонд «Новые горизонты», направлявшийся к Плутону. Он пролетел мимо гиганта в феврале 2007 года, успев понаблюдать молнии на полюсе, аммиачные облака и заряженные частицы в магнитном хвосте планеты. К тому времени, когда аппарат прислал эту информацию, уже вовсю велась работа над созданием «Юноны». Она, к слову, стала наследницей «Новых горизонтов» не только в качестве следующего гостя у Юпитера.
Пробелы и решения
Когда в 2003 году «Галилео» прекратил свое существование, планово сгорев в атмосфере Юпитера, человечество осталось без постоянного представителя у самой крупной планеты Солнечной системы. Непорядок. И тут как раз подоспела новая программа NASA. Агентство в своем планировании использует несколько различных исследовательских проектов для удобства. Есть флагманские миссии, которые реализуются раз в десятилетие и имеют неограниченный бюджет. Но это вершина пирамиды. А под ней располагаются несколько программ, которые ограничены конкретным спектром исследований, сроком реализации и бюджетом.
К примеру, на третьей ступени находится программа Discovery, которая не должна превышать 450 миллионов долларов. А «Юнона» оказалась второй миссией в проекте New Frontiers, ограниченном 900 миллионами долларов. Первым аппаратом по этой программе стали уже упомянутые «Новые горизонты». Так NASA закрыло пробел между знаковыми флагманскими разработками и более массовыми и относительно недорогими. Впрочем, как обычно расчетный бюджет не совпал с реальным. Когда в 2005 году «Юнону» выбрали для реализации, планировалось потратить на нее около 700 миллионов долларов, а в итоге расходы выросли почти вдвое, но это уже с учетом продления срока службы.
Разработка «Юноны» шла достаточно быстрыми темпами для столь амбициозной задумки. Первоначально планировалось, что запуск состоится уже через четыре года после выигранного конкурса – в 2009 году. В итоге он случился в 2011-м, что все равно достаточно быстро. Секрет такой скорости в том, что создание всех научных инструментов доверялось командам, которые разрабатывали аналоги для других миссий: от «Новых горизонтов» до «Галилео». Конечно, их адаптировали и совершенствовали по последнему слову техники, но архитектура оставалась прежней.
Главной задачей конструкторов стала защита приборов от мощнейшей радиации, которая царит в окрестностях Юпитера. Для этого не только сами инструменты модернизировались, но и придумали защитный короб для них. Уже после испытаний его конструкцию изменили для большей надежности и облегчения. Толщина стен этого блока составляет 1 сантиметр, а масса – 180 килограммов. В нем заключены самые чувствительные к радиации электронные узлы аппарата.
Другая нетривиальная задача – обеспечение зонда энергией. «Юнона» стала первым аппаратом во внешней Солнечной системе, который использует для этого не радиоизотопный генератор, а солнечные батареи. Тут сложилось несколько факторов. Во-первых, в NASA не хотели возиться с дополнительными расходами, которые потребовались бы при разработке аппарата на РИТЭГе. Во-вторых, в это время были проблемы с наличием свободного плутония-238, а также с допуском его со стороны экологических и общественных организаций. В-третьих, эффективность работы солнечных панелей достаточно скакнула вперед, чтобы использовать их, а не РИТЭГ.
Хотя даже при всех развитых технологиях начала XXI века инженерам пришлось сооружать самые крупные панели среди всех межпланетных аппаратов того времени. Они размещены в виде трех крыльев длиной 8,9 метра и шириной почти три метра. Интересно, что изначально общая их площадь составляла почти 50 квадратных метров. Однако после тестирования конструкции разработчики решили перестраховаться и увеличили ее до 60 «квадратов» – они оценили потерю эффективности выработки энергии из-за повреждения ячеек заряженными частицами около Юпитера. Такой внушительный размер обусловлен большим расстоянием от Солнца. «Юнона» получает лишь 4 % той солнечной энергии, которую получала бы на орбите Земли. Ее батареи могли бы у нашей планеты вырабатывать до 15 000 ватт энергии, а около Юпитера генерировали по прибытии не более 490 ватт.
Вообще конструкционные находки при строительстве «Юноны» вызывают уважение и восхищение находчивостью инженеров. Те же три солнечные панели решили не использовать только для выработки электричества. Например, на конце одной из них разместили магнитометр, также они служат стабилизаторами для самого аппарата. В «Юноне» не используется дополнительных механических устройств для выравнивания. Оно происходит благодаря вращению зонда по вертикальной оси. В исследовательском режиме он делает два оборота в минуту.
Эта особенность обусловила и размещение научных инструментов – все они расположены по 3,5-метровому корпусу так, чтобы сканировать при вращении пространство вокруг «Юноны», что дает наиболее полную информацию об окружении. Главная 2,5-метровая антенна с высоким коэффициентом усиления как бы венчает основной корпус аппарата, добавляя круговой симметрии. Также зонд оснащен двумя антеннами со слабым усилением и одной – со средним. Этот комплекс связи позволяет постоянно находиться в контакте с Землей. Даже если по какой-то причине главная антенна потеряет ориентацию на нашу планету, то с помощью других узлов коммуникации можно отдать команду на корректировку положения.
Базовый набор и бонус
В плане комплекта научных инструментов «Юнона» представляет собой классический межпланетный аппарат с набором самых необходимых и полезных приборов, которые должен иметь каждый уважающий себя зонд, изучающий другие тела в Солнечной системе. С той лишь оговоркой, что все они имеют усиленную радиационную защиту, а также ограниченный срок работы, который в итоге удалось превзойти абсолютно всем инструментам.
В комплекте «Юноны» девять основных приборов:
– Микроволновый радиометр (MWR) – предназначен для поиска воды и аммиака в глубоких слоях атмосферы Юпитера, для составления температурного профиля и подповерхностных наблюдений спутников планеты. Инструмент состоит из шести антенн, размещенных по корпусу и работающих в разных диапазонах, что позволяет «Юноне» заглядывать на глубину более 600 километров под облачный слой;
– Магнитометр (MAG) – предназначен для составления подробной карты сложного и мощного магнитного поля Юпитера, а также изучения его динамики. Имеет три датчика, вынесенных на край одной из солнечных панелей;
– Радиогравитационный эксперимент (GS) – предназначен для оценки распределения масс внутри Юпитера по мельчайшему влиянию гравитации над разными участками планеты на испускаемые «Юноной» радиоволны в сторону Земли;
– Инфракрасный спектрометр (JIRAM) – предназначен для получения изображений в ближнем инфракрасном диапазоне, что позволяет «просвечивать» атмосферу до глубины в 70 километров, а также составлять температурные карты, определять наличие ряда химических элементов. Интересно, что этот предоставленный Италией инструмент был одним из бонусных, поэтому к нему не предъявлялось никаких требований по радиационной защите. Но он все равно работает до сих пор и принес немало открытий, а также знаменитые снимки Ио в кроваво-красных пятнах вулканов;
– Ультрафиолетовый спектрометр (UVS) – предназначен для получения изображений в УФ-диапазоне, что позволяет наблюдать полярные сияния Юпитера и также выявлять некоторые химические элементы в атмосфере;
– Детекторы заряженных частиц (JADE и JEDI) – предназначены для регистрации электронов и ионов высокой и низкой энергии. Учитывая непростую радиационную обстановку вокруг Юпитера, эти датчики позволяют изучать характеристики заряженных частиц, которыми заполнено пространство около планеты, которые создают полярные сияния, радиационные пояса, взаимодействуют с солнечным ветром и так далее;
– Радиоволновой датчик (WAVES) – предназначен для регистрации радиоволн, исходящих от Юпитера и характеризующих взаимодействие между магнитным полем, атмосферой и магнитосферой планеты. Представляет собой 4-метровую V-образную антенну;
– Звездный датчик (SRU) – предназначен для того, чтобы «Юнона» «понимала» свое положение относительно звезд. Это инженерный инструмент, а не научный, однако камеру использовали для получения изображений особенно тусклых объектов, таких как молнии, пылевые кольца Юпитера;
– Камера-телескоп (JunoCam) – предназначена для получения цветных изображений в видимом диапазоне. И вот тут самое удивительное. Первоначально ее не планировали включать в состав комплекта. На добавлении простой камеры настояла, скажем так, общественность. Ученым этот инструмент не был нужен, однако в NASA помнили урок «Улисса», который не имел возможности делать снимки, хотя побывал в интересных местах. Кроме того, с помощью красивых картинок проще сделать науку ближе к простым людям, заинтересовать кого-то исследованиями. Но добавили JunoCam с условием, что обойдутся без заморочек: взяли, по сути, такую же камеру, которая используется на марсоходе Curiosity, не применив радиационной защиты. Поэтому ей отводили работу на семь-восемь витков. А она функционирует до сих пор и приносит не только красивые фотографии, но и научную пользу. Правда, качество снимков далеко не всегда высокое из-за сильного сжатия изображений, обусловленного низкой пропускной способностью канала связи. Но постобработка творит чудеса. Сейчас трудно представить, что мы могли остаться без этих великолепных снимков Юпитера «а-ля Ван Гог».
Весь набор научных инструментов «Юноны» имеет массу всего 173 килограмма с небольшим. И это при общем весе зонда в 3625 килограммов. Больше двух тонн из этой массы занимает двухкомпонентное топливо на основе гидразина. Такова цена столь далекого путешествия.
Слабость, ставшая силой
Путь «Юноны» с Земли к Юпитеру занял пять лет. Запустили зонд на самой мощной конфигурации ракеты «Атлас V», однако для прямого пути к цели даже ее усилий не хватило бы. Поэтому траектория получилась несколько замысловатой. Аппарат вылетел за пределы орбиты Марса, где провел крупную корректировку орбиты с помощью двигателя, а потом вернулся во внутреннюю часть Солнечной системы, чтобы совершить гравитационный маневр около Земли спустя два года после запуска.
«Юнона» промчалась на высоте в несколько сотен километров от поверхности Земли, что позволило ей нарастить скорость на 7,3 м/с, и уже этого хватило, чтобы направиться к Юпитеру. К тому же во время пролета инженеры проверили работоспособность некоторых инструментов. Но и столкнулись с первой проблемой – непредвиденным переходом в безопасный режим, при котором все научные инструменты отключились. Их удалось в итоге вернуть в строй. Но позднее уже на орбите Юпитера история повторится, пусть и без последствий для аппарата.
А вот проблемы с клапанами наддува оказались судьбоносными. Но это тот уникальный случай, когда какой-то сбой принес только пользу. В 2016 году «Юнона» вышла на так называемую калибровочную орбиту вокруг Юпитера с периодом обращения 53,4 дня. Планировалось, что она проведет на этой орбите два витка, пока будут настроены все инструменты. Потом должен был состояться маневр коррекции с выходом на 14-дневную орбиту.
Однако во время проверки телеметрии выяснилось, что клапаны, регулирующие подачу гелия для наддува, работают со сбоями. Консультации с производителем маршевого двигателя и моделирование в лаборатории показали, что при таких параметрах запускать его опасно. Поэтому сначала выход на более быструю орбиту отложили, а потом отменили вовсе, оценив перспективы миссии.
У принятого решения очевидным минусом было сокращение количества витков вокруг Юпитера. Ведь планировалось, что «Юнона» завершит работу уже через 20 месяцев. Но инженеры справедливо понадеялись на запас прочности инструментов, что позволило продлить срок службы зонда на три с лишним года относительно базового. С этим выбором они не прогадали. А плюсов оказалось даже больше.
Во-первых, «Юнона» меньше времени проводила в самых опасных с радиационной точки зрения районах около Юпитера. Она переживала напряженный перигей на расстоянии около 4000 километров от планеты, а потом отдалялась от нее на дистанцию более 8 миллионов километров вместо 2,8 миллиона, которые предполагались на 14-дневной орбите. Во-вторых, такая вытянутая орбита позволила зонду охватить большее пространство вокруг гиганта, изучив, как меняется поток заряженных частиц на разных расстояниях, какова динамика магнитосферы. В-третьих, это позволило начать расширенную миссию, которая стартовала в 2021 году, а завершится в сентябре 2025-го. В ее рамках главными целями исследований стали спутники Юпитера Ганимед, Европа и Ио, которые «Юнона» не смогла бы посетить, находясь на своей плановой орбите.
План перевыполнен
В конечном счете «Юнона» успела выполнить на скорректированной орбите и задачи основной миссии, и задачи расширенной. На основе наблюдений зонда написаны сотни научных работ, сделана масса открытий, которые позволили лучше понять сложную структуру и окружение Юпитера, а также особенности эволюции планет-гигантов в принципе.
Основная миссия включила в себя 33 витка. Расширенная добавила к ним еще 42. Причем постепенно сокращался период обращения зонда вокруг планеты. Но не за счет работы двигателя, а благодаря гравитационным маневрам около спутников Юпитера. Например, пролет рядом с Ганимедом, с которого началась расширенная миссия в 2021 году, сократил период до 43 дней, а сближение с Европой в 2022-м – до 38. Два последовательных прохода рядом с Ио установили окончательный на данный момент период в 33 дня. Именно с него «Юнона» начнет свое финальное торможение, которое в сентябре 2025 года должно привести зонд в атмосферу Юпитера, где он и сгорит.
«Юнона» оставит после себя не только множество уникальных эффектных снимков Юпитера, Ганимеда, Европы и Ио, но и потрясающую базу знаний о самом большом мире Солнечной системы. Она подробно изучила структуру циклонов на планете, в том числе полярных. Она выяснила, как распределены химические элементы в атмосфере планеты, узнала, что легендарное Большое Красное Пятно сокращается, а его глубина составляет 320 километров. Определила, что струйные течения, которые мы наблюдаем в виде полос, на самом деле уходят на глубину до 3000 километров. Она буквально представила нам Юпитер как слоеный пирог, показав детали его начинки.
2. Большое красное пятно крупным планом. Фото: NASA/SwRI/MSSS/Gerald Eichstädt/Seán Doran, sci.news
3. Облака и антициклон Белый овал. Фото: NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Gerald Eichstad/Sean Doran, jpl.nasa.gov
Добралась даже до ядра, изменив представление о нем. Это не некое твердое относительно небольшое образование в сердце Юпитера, а более крупная, но не имеющая четкой границы формация из затвердевающего под давлением водорода и металлов. «Юнона» продемонстрировала запутанную структуру магнитного поля и разгоняемых им заряженных частиц, подтвердила Ио как их основной источник, нашла новый радиационный пояс, выяснила, что природа молний и полярных сияний Юпитера отличается от земных и мощнее в сотни раз.
Перечислять открытия «Юноны» можно еще много страниц даже простым списком. И это мы не говорим еще о достижениях расширенной миссии, которые позволили получить ценные сведения о редко изучаемом Ганимеде, который может где-то глубоко содержать океан, об интересующей всех Европе с ее ледяным панцирем, об испещренном вулканами и лавовыми озерами Ио, который особенно устрашающе и эффектно выглядит в объективе камер JIRAM и JunoCam, доставшихся «Юноне» «на сдачу».
Можно смело утверждать, что «Юнона» – это один из самых успешных космических проектов XXI века. Аппарат превзошел все ожидания как в области научных открытий, так и в технической надежности. В условиях невероятной радиации и постоянной бомбардировки заряженными частицами зонд проработал значительно дольше заявленного, не потеряв ни одного инструмента, не пережив ни одного критического сбоя. А все решения, которые казались вынужденными или необязательными (от сохранения длинной орбиты до добавления «ненужных» камер), в итоге сыграли важную положительную роль, повысив ценность миссии. И теперь мы точно можем утверждать, что никто не знает Юпитер лучше, чем его супруга.
Это новость от журнала ММ «Машины и механизмы». Не знаете такого? Приглашаем прямо сейчас познакомиться с этим удивительным журналом.
