Astronautika: misije

Putovanje je bilo dugo, ali sada je pred finalem: “New Horizons” je konačno spreman za početak naučne misije istraživanja Plutonovog sistema. Sonda je provela skoro deceniju u stanju hibernacije, zahtevajući vrlo malo energije od svog generatora struje ili od svojih kontrolora na Zemlji, ali krajem prošle godine faza dremanja je okončana. Sedmog decembra sonda je poslednji put probuđena i ostaće tako najmanje dve sledeće godine.

“New Horizons” će proleteti pored Plutona 14. jula 2015. godine u 10:50 po našem vremenu, ali naučne podatke intenzivno prikuplja još od početka ove godine i neće prestati da šalje informacije na Zemlju sve do kraja 2016. godine. Pogledajmo malo letilicu o kojoj se govori na ovom putovanju i obaveze koje se nalaze pred njom.

Sonda veličine klavira trouglastog je oblika, debljine 76 cm. Posle lansiranja imala je 470 kg hidrazinskog goriva. NH ima 16 trastera: 4 snage 4,4 N (za korekciju putanje) i 12 snage 0,9 N (za regulisanje položaja i spinovanje).

INSTRUMENTI

Ono što će nam “New Horizons” reći o svetovima Plutonovog sistema zavisi od sposobnosti njegovih instrumenata. “New Horizons” je daleko najmanji kosmički brod koji je do sada poslat ka spoljnjem solarnom sistemu, te njegov paket naučnih instrumenata teži svega 30,4 kg. Radi poređenja, kazaću da samo jedna “Cassinijeva” kamera teži 57,8 kg. U principu, težina je jedan od glavnih pokazatelja kvaliteta instrumenata, ali “Horizonsovi” inženjeri su iskoristili svaku mogućnost da smanje komponente i naprave pažljivu (i često bolnu) selekciju sposobnosti instrumenata, sa ciljom da dobiju najmanji mogući paket uređaja.

“New Horizons” ima sedam naučnih instrumenata. Brodski instrumenti su podeljeni na dve grupe: one za daljinsko osmatranje (koji prate stvari iz velike daljine koristeći različite delove elektromagnetnog spektra) i na in situ[1] instrumenate (koji mere stvari direktno sa pozicije gde se letilica nalazi, uključujući magnetna polja i jone, prašinu i ostale čestice).

U instrumente za daljinsko osmatranje spadaju:

• Alice, ultraljubičasti spektrometar (teleskop) osetljiv na talasne dužine od 46,5 do 188 nanometara i sa prostornom rezolucijom od 5 miliradijana po pikselu. Primarni zadatak mu je izučavanje Plutonove atmosfere, a vrlo je sličan nešto prostijem instrumentu istog imena na evropskoj sondi “Rosetta”. Oba instrumenta su napravljena u Southwest istraživačkom institutu u San Antoniju.

Spektroskop tipa Alice toliko je značajan da svaka misija na neku novu planetu mora da nosi neki sličan. Instrument ima i rezervno napajanje, tako da će nastavisi s radom čak i ako se neka komponenta pokvari. Instrument je težak 4,4 kg i troši 4,4 w struje.

• Ralph[2], koji se sastoji od dva uređaja, MVIC i LEISA. MVIC (Multispectral Visible Imaging Component) je multispektralni imidžer sa 5 kanala u vidljivim i near-infracrvenim talasnim dužinama od 400 do 975 nanometara i prostornom rezolucijom od 20 mikroradijana po pikselu. ima široko vidno polje i sposobnost snimanja slika u boji. Poseduje panhromatski (crno-beli), plavi, crveni, metanski, i near-infracrveni kanal (uočljivo je odsustvo zelenog kanala, što znači da će biti potrebne određene simulacije i7ili manipulacije sa kanalima u boji da bi se dobila “prava” boja slika sa “New Horizonsa”). LEISA (Linear Etalon Imaging Spectral Array) je infracrveni imidžing spektrometar raspona od 1,25 do 2,5 mikrona, čiji je zadatak merenje sastava i temperature površine, ali i mapiranje količine vode, metana, ugljen-dioksida, azotnog leda i sl. na Suncem obasjanoj strani Plutona i Harona (i kasnije drugih Kajperovih objekata).

Ralph predstavlja glavne “oči” “New Horizonsa”. Nema pokretnih delova. Težak je 10,5 kg i troši maksimalno 7,1 w struje.

• LORRI (Long Range Reconnaissance Imager) predstavlja kameru osetljivu na talasne dužine od 350 do 850 nanometara. Predstavlja zapravo diigitalnu kameru sa velikim telefoto teleskopom prečnika 8,2 inča (20,8 cm). Ima vrlo visoku rezoluciju od 5 mikroradijana po pikselu te se koristi za detaljno fotografisanje ali i za daljinsku optičku navigaciju. Ona je monohromatska, tako da će najbolje slike “New Horizonsa” biti crno-bele, ali će LORRI-jeve slike moći da se kombinuju sa podacima MVIC kamere niže rezolucije.

LORRI će početi intenzivno snimanje Plutona oko 180 dana pre najbliže tačke proleta. Oko 60 dana pre tog događaja – sredinom maja 2015. – slike će prevazići po rezoluciji one sa “Hablovog” teleskopa. LORRI nema nikakve filtere niti pokretne delove, tako da će operatori dobijati slike onako kako su programirali da se čitava letilica okreće tokom leta kroz Plutonov sistem. Kamera će, kao i svi instrumenti, morati brzo da radi, jer će se “New Horizons” kretati brzinom od 13,78 km/s (~49.600 km/h), što je duplo brže od spejs-šatlova u njihovo vreme.

LORRI prilikom montaže. Skinut je oklop a LORRI je umotana u izolaciju a poklopac otvora je zatvoren. Težina optičkog teleskopa je 5,6 kg, a ukupna težina 8,6 kg. Potrošnja struje je 5 W a grejač troši 10 W. Sa udaljenosti od 11.000 km teleskop će videti detalje na Plutonu veličine manje od 100 m (260 m na Haronu).

• REX (Radio Science Experiment) se sastoji od malog štampanog kola (100 grama, 2,1 W) koje poseduje elektroniku za sofistikovanu obradu signala integrisanu sa telekomunikacionim sistemom “New Horizonsa”. Pošto telekomunikacija poseduje i rezervni sistem, onda sonda ima i dve kopije REX-a. Moguće je istovremeno koristiti oba da bi se poboljšali rezultati eksperimenta.

REX će koristiti okultacionu tehniku, tj. slaće radio-signale kroz atmosfere Plutona i Harona ka džinovskim radio-antenama na Zemlji. REX će takođe meriti slabu radio-emisiju Plutona i drugih tela pored kojih bude proletao, što će naučnicima omogućiti da izmere prosečne dnevne i noćne temperature. Takođe, pomoću REX-a će moći da se prate mala odstupanja od predviđene trajektorije, što će pomoći naučnicima da utvrde tačne mase i dimenzije Plutona i Harona, kao i nekog budućeg objekta Kajperovog pojasa.

Za komunikaciju sa Zemljom služi glavna antena (HGA) prečnika 2,1 m, dve neusmerene antene (LGA) i jedna poluusmerena antena (MGA) sa tanjirom prečnika 0,3 m. REX će koristiti ultrastabilni kristallni oscilator (u stvari kalibrisani kristal u minijaturnoj „rerni“) koji će sprovesti radio-istraživanje koristeći komunikacione kanale.

U tzv. in situ instrumente spadaju:

• PEPSSI (Pluto Energetic Particle Spectrometer Science Investigation) je spektrometar sa 12 kanala koji prati čestice visoke energije od 1 do 1.000 keV, konstruisan da proučava neutralne atome koji beže iz Plutonove atmosfere i postaju naelektrisani u interakciji sa solarnim vetrom.

Instrument će prvi otkriti tragove Plutonove atmosfere još dok planeta bude milionima kilometara daleko. Koristeći PEPSSI za brojanje čestica, i znajući koliko je NH daleko od Plutona u datom trenutku, naučnicima će omogućiti da saznaju koliko brzo atmosfera gubi čestice.

PEPSSI, s leva na desno: štitnik od sunca, kolimator, komplet senzora i elektronika. Instrument je težak 1,5 kg i troši <2,55 W. Uređaj ima 9 jonskih i 3 elektronska detektora.

• SWAP(Solar Wind at Pluto) predstavlja toroidni elektrostatički analizator solarnog vetra osetljiv na čestice niske energije, od 25 eV do 7,5 keV. Zbog slabe snage solarnog vetra na Plutonovoj udaljenosti, instrument ima najveći otvor od svih sličnih instrumenata koji su do sada leteli.

Zbog toga što je Plutonova gravitacija samo 1/16 Zemljine, naučnici veruju da oko 75 kg materijala beži iz Plutonove atmosfere svake godine. SWAP ima težinu od 3,3 kg a troši stuju od 2,3 W.

• Studentski brojač čestica (Venetia Burney Student Dust Counter) meri distribuciju veličine i gustine čestica masa većih od jednog pikograma. Instrument je bio aktivan sve vreme trajanja krstarenja do Plutona. To je prvi instrument u nekoj Nasinoj planetnoj misiiji koji su konstruisali, izgradili i kontrolisali studenti. Instrument se sastoji od spoljnjeg detektora čestica površine 0,125 m² i unutrašnje elektronike. Interesantno je da je Venetia Burney bila devojčica koja je 1930. novootkrivenoj planeti dala ime Pluton.

Studenti sa univerziteta Kolorado osmislili su ovaj detektor čestica koji sadrži 14 polivinilska panela koji proizvode struju kada ih čestica pogodi. do sada nijedan brojač čestica nije leteo dalje od uranove orbite. Težina instrumenta je 1,9 kg a troši oko 5 W struje.

Misija “New Horizons” je takođe oblikovana i specifičnim zahtevima koje postavlja deep-space komunikacija. “New Horizons” poseduje veliki tanjir u odnosu na svoju veličinu, ali prečnik od 2,1 metar nije prevelik ako veza mora da se održava na udaljenosti većoj od 4 milijarde kilometara. Prenos podataka će biti spor, a uopšte neće biti moguć kada letilica bude usmerila svoje instrumente ka specifičnim metama – što će se desiti tokom celokupnog prolaska pored Plutona. Biće to dug, zastrašujući i nemi period tokom dvonedeljnog proletanja kroz tačku na putanji koja je najbliža Plutonu, i sve što budemo mogli biće da se nadamo da će komunikacija posle toga biti nastavljena.

Prikaz naučnih zadataka u 2015. godini. AP označava prilazne faze misije, a DP odlazne faze misije. Najveći deo čitave ove godine proteći će u angažovanju sedam imidžera, spektrometara i in situ plazmenih instrumenata u Plutonovom sistemu.

DUG PRILAZAK

Čitava ekspedicija na Pluton podeljena je u nekoliko faza. U svakoj od njih, NH će biti fokusiran na tip naučnih aktivnosti koje su prilagođene rastojanju sonde od Plutona. “New Horizons” će leteti toliko brzo da će se sve događati u neverovatno kratkom periodu; skoro svi najvažniji zadaci imaće svoj pik u periodu od 2,5 sati pre i oko 1 sat posle tačke najbližeg proletanja. Prema planu, biće obavljena i primarna i rezervna osmatranja svim raspoloživim instrumenata da bi se ispunili naučni zadaci čak i ako se neki instrument pokvari. Sva istraživanja su usmerena prvenstveno ka Plutonu, Haronu i Niksu: da ne bi trošili vreme na snimanje i Niksa i Hidre planirano je da se prednost više dâ Niksu a manje Hidri. Druga dva meseca, Stiks i Kerber, još manjih dimenzija od Niksa i Hidre (pa stoga i teži za osmatranje), otkriveni su prilično kasno i kada je proces planiranja misije već odmakao, te će biti slikani na grupnim slikama i prilikom optičke navigacije, ali neće biti obuhvaćeni nekim posebnim naučnim snimanjima.

• Prilazna faza 1: 180 do 100 dana pre najbližeg prolaska (6. januar – 4. aprila; rastojanje do Plutona 226-121 milion km). SWAP i PEPSSI će meriti plazmu. LORRI će pratiti kretanje Plutona, Harona i manjih meseci. Detalji Plutona su nevidljivi.
• Prilazna faza 2: 100 do 21 dan pre najbližeg prolaska (4. april – 23. jun; rastojanje do Plutona 121-26 miliona km). Dodata osmatranja u boji i započeta potraga za satelitima i prstenom. Početak ove faze je odabran da koincidira sa vremenom kada će LORR imati bolju rezoluciju od “Habla”, ali će Pluton još uvek biti samo nekoliko piksela u prečniku.
• Prilazna faza 3: 21 do 1 dan pre najbližeg prolaska (23. jun – 13. jul; rastojanje do Plutona 26-1,2 miliona km). Uključuje najbolji, drugi najbolji i treći najbolji snimak rotacije planete pre najbližeg proletanja, praveći najbolje globalne mape Plutona i Harona. PEPSSI i SWAP snimaju jone. LEISA i Alice započinju da traže razlike u IR i UV zračenju. Potraga za oblacima ili sumaglicom, praćenje vetrova, itd.
• Faza najbližeg prolaska: -1 do +1 dan (13-15 juli, unutar 1,2 miliona km) – sve isplanirano 2008. i 2009. godine. Većina osmatranja visokog prioriteta.
• Odlazna faza 1: 1 do 21 dan posle najbližeg prolaska (15. jul – 4. avgust; rastojanje od Plutona od 1,2 do 24 mil. km). Daljinsko osmatranje Plutona i Harona tokom jedne rotacije. SWAP i PEPSSI proučavaju magnetni “rep” i odbegle jone. REX proučava temperature noćnih strana objekata. Osmatranja Niksa i Hidre prilikom visoke faze. Potraga za prstenima.
• Odlazna faza 2 21 do 100 dana posle najbližeg prolaska (5. avgust – 22. oktobar; rastojanje od Plutona od 24 do 119 mil. km).
• Odlazna faza 3: 100 do 180 dana posle najbližeg prolaska (22. oktobar – 1. januar 2016; rastojanje od Plutona od 119 do 203 mil. km). Nema planiranih daljinskih osmatranja.

SLIKE ZA OPTIČKU NAVIGACIJU

Početkom godine već sam pisao o tome da je “New Horizons“ iskoristio svoju najoštriju kameru LORRI i snimio Pluton, Haron, Niks i Hidru za potrebe optičke navigacije. Navigatorski tim je iskoristio te slike da bi potvrdio svoja predviđanja gde se koji objekat Plutonovog sistema tačno nalazi. Naravno, te slike su iskorišćene i za nauče svrhe. Geolozi su ih uporedili za poređenje sa “Hablovim” snimcima radi površinskih promena, a astrofiizičari za procenu preciznijih masa Plutona i Harona.

Iako se sonda ubrzano približava Plutonu a LORRI kamera ima vrlo visoku rezoluciju, Pluton je prilično mali (manji je od bilo kog Jupiterovog Galilejevog meseca!) i biće najveći period vremena daleko od NH. Mali i udaljen znači da će biti velik samo nekoliko piksela i bez previše detalja na površini, čak i krajem juna ove godine. Na donjem mozaiku predstavljene su LORRI-jeve slike Jupiterovih meseci načinjene tokom fly-bya 2007. godine, i prikazuje na koji način će NH prilaziiti Plutonu. Poređenje nije savršeno iz nekoliko razloga. Već znamo da Pluton ima “kontrastniju” površinu nego Ganimed. Takođe, sve do juna, svaka slika planete koju bude načinila sonda biće sve bolja, ali ipak nijedna neće imati dovoljno piksela da kaže išta posebno interesantno sve do početka jula.

Simulacija pogleda na Pluton uz pomoć “New Horizonsovih” slika Galilejevih satelita. Prva kolona slika prikazuje LORRI-jeve arhivske slike. Druga kolona prikazuje iste slike uveličane 3 puta da bi se videli pojedinačni pikseli. Treća kolona prikazuje uvećane slike sa interpolacijom.

Još jedna napomena u vezi planirane optičke navigacije: fotografije fokusirane na Pluton i Haron biće načinjene uz pomoć pune rezolucije LORRI. Ali tokom najvećeg dela prilaska, slike manjih meseci Niksa i Hidre biće pravljene LORRI-jem u tzv. “četvrtinskom režimu”, čime će prostorna rezolucija instrumenta LORRI biti smanjena za 4 puta[3]. To na prvi pogled izgleda glupo (jer izgleda pametnije koristiti veću rezoluciju za posmatranje malih meseci), ali oni su šalju premalo svetlosti te je neophodno sakupiti zajedno fotone 16 LORRI-jevih piksela da bi se prikupilo dovoljno signala da se mali meseci odvoje od pozadinskog šuma. Na svim slikama prilaznih faza svi objekti Plutonovog sistema biće osvetljeni skoro punim sjajem, sa faznim uglom od 14 do 15 stepen[4]i.

U februarskom tekstu o kampanji optičke navigacije prikazao sam nekoliko tabela baziranih na preliminarnim posmatranjima. Naredne tabele su apdejtovane i prikazuju sve slike optičke navigacije Plutona, Harona, Niksa i Hidre, uključujući podatke kada će biti slikane, sa koje udaljenosti i u kakvoj rezoluciji. Na početku, najbolja rezolucija je iznosila oko 1.000 km po pikselu – jedva nešto više od 2 piksela po prečniku Plutona (koji približno ima prečnik od 2.400 km). Tek 1. jula LORRI će imati rezoluciju od 80 km po pikselu, što znači da prečnik Plutonovog diska pokrivati 30 piksela.

Faza najbližeg prolaska pored Plutona – kulminacija epskog 3.462 dana dugog putovanja kroz planetni sistem; 14. juli 2015. godine.

NAJBLIŽI PROLAZAK

Momenat prolaska pored Plutona je tako pažljivo odabran da zahvaljujući položaju Plutona i Harona omogućava solarnu i Zemljinu okultaciju, što će omogućiti “New Horizonsu” da istraži njihove atmosfere. Na sreću taj trenutak će takođe biti najbolji i za proučavanje površine, sa dobrim pogledom na Plutonov osvetljeni i neosvetljeni teren, njihov prelazak i geografske dužine bogate ugljen-monoksidom. Biće to skoro optimalni položaj i za posmatranje Niksa i Hidre.

U nedelju i ponedeljak 12. I 13. jula “New Horizons” će poslati set “Fail Safe” podataka – sve naučne informacije prikupljene do tada, za slučaj da sonda iz nekog razloga ne preživi najbliži prolazak. Poslednja “Fail Safe” komunikaciona sesija završiće se u 15:30 po našem vremenu 13. jula, a sadržaće do tada najbolje slike u boji (MVIC) Plutona i Harona i najbolje LORRI-ijeve slike Harona (oko 160 piksela u prečniku). Poslednja, kratka pre-fly-by komunikaciona sesija završiće se u 02:13 po našem 14. jula i tada će biti poslate najbolje slike Plutona, sa rezolucijom od 3,8 km po pikselu; Pluton će na toj sliici imati oko 630 piksela u prečniku.

Najbliži prolazak pored Plutona dogodiće se 14. jula u 10:50. Tom prilikom, “New Horizons” će proleteti na:

U tim kritičnim trenucima misije signalu će trebati 4 sata i 25 minuta da prevali rastojanje od Plutona do Zemlje. Međutim, “Horizons” neće biti sve vreme u kontaktu sa Zemljom; biće okrenut ka metama Plutonovog sistema obavljajući naučne zadatke visokog prioriteta. Prvi signal koji će se na Zemlji čuti sa NH neće biti pre ponoći i 9 minuta po našem 15. jula! Taj momenat je nazvan “Phone Home” i biće zapravo samo kratak zvučni signal tipa “biiiip” koji će značiti da je sonda preživela i da sprovodi naučne zadatke. Prve podatke iz faze najbližeg prilaska - uključujući crno-bele slike Plutona, Harona i Hidre – nećemo videti još 10 sati, do srede 15. jula u 10 sati.

[1] Lat. in situ znači na licu mesta.

[2] Alice i Ralph su likovi iz jedne stare američke TV komedije

[3] Kamera LORRI može da pravi slike i u visokoj i u niskoj rezoluciiji. Ali u visokoj rezoluciji kamera ne može da slika sa produženom ekspozicijom, jer bi slike u tom slučaju bile zamrljane. Zato LORRI može da slika u zv. „četvrtinskom modu“, kada se na čipu kamere formiraju blokovi od 4×4 piksela, i kada je moguće slikati sa produženom ekspozicijom. Ponekad se čini nelogičnim, ali mračni mali sateliti Niks i Hidra biće pre vidljivi na LORRI-jevim slikama niske nego na onima visoke rezolucije.

[4] To znači da će ugao između sonde, Plutona i Sunca iznositi 14-15°. Praktično, Sunce će biti sondi iza leđa.

Kako „New Horizons“ sprovodi kampanju optičke navigacije na putu ka Plutonu?

’New Horizons’ započinje prve korake faze približavanja Plutonup

Počinje godina Plutona i „Novih Horizonata“

'New Horizons': nišanjenje Plutona uz pomoć ALMA

'New Horizons' pred presecanjem Neptunove orbite

Author: Draško Dragović

Dipl inž. Drago (Draško) I. Dragović, napisao je više naučno popularnih knjiga, te više stotina članaka za Astronomski magazin i Astronomiju, a učestvovao je i u nekoliko radio i TV emisija i intervjua. Interesuje ga pre svega astronautika i fizika, ali i sve teme savremenih tehnologija XXI veka, čiji detalji i problematika često nisu poznati široj čitalačkoj publici. Izgradio je svoj stil, lak i neformalan, često duhovit i lucidan. Uvek je spreman na saradnju sa svojim čitaocima i otvoren za sve vidove komunikacije i pomoći. Dragovićeve najpoznatije knjige su "KALENDAR KROZ ISTORIJU", "MOLIM TE OBJASNI MI" i nova enciklopedija "NEKA VELIKA OTKRIĆA I PRONALASCI KOJA SU PROMENILA ISTORIJU ČOVEČANSTVA"

Zadnji tekstovi:

• 2011-06-12 - Pluton, poslednja oaza za život
• 2010-03-10 - CIVILIZACIJE
• 2024-08-15 - Koliko ima čestica u kosmosu?
• 2018-01-24 - Bor na ispitu
• 2021-08-15 - Može li da se čita uz zvezde?