Икар космоса

Тим Харрис (Tim Harris), заместитель руководителя проекта Sun Orbiter, Airbus Defence and Space

В её основе – другие чрезвычайно успешные миссии агентства, такие как SOHO и Ulysses. Как и они, Solar Orbiter появился в результате сотрудничества между ESA и NASA и оборудован серьёзной научно-экспериментальной аппаратурой американского производства. Америка (NASA) также обеспечит запуск миссии.

Airbus Defence and Space – главный подрядчик этой миссии, которая подлетит к Солнцу ближе, чем её предшественники, и получит уникальные измерения среды гелиосферы, на солнечном диске и в его ближайшем окружении.

Ключевые научные цели миссии должны ответить на самые важные вопросы о нашем Солнце и о его взаимодействии с Солнечной системой. На орбите, ближайший подход которой будет происходить на расстоянии 0,28 АЕ (астрономических единиц), внутри орбиты Меркурия, Solar Orbiter будет беспрецедентно близко изучать то, как наше Солнце создаёт и управляет гелиосферами, и тот космический «пузырь», наполненный частицами и полями, в котором находится орбита Земли.

Solar Orbiter сможет ответить на следующие вопросы: как солнечные извержения производят энергетическое излучение частиц, которое заполняет гелиосферу; как магнитный генератор Солнца работает и создаёт контакты между Солнцем и гелиосферой; как и где дует наружу «солнечный ветер» плазмы и магнитного поля, которые создаются во внешней атмосфере Солнца; как преходящая магнитная активность на Солнце создаёт изменения в гелиосфере?

Для того, чтобы ответить на эти вопросы, Solar Orbiter полностью оснащён научными приборами: более 40 единицами оборудования, которые должны быть размещены так, чтобы иметь 37 свободных полей зрения. Также на космическом аппарате необходимо установить двигательную систему и оборудование, предназначенную для управления спутника в течение длительных периодов автономной работы и для общения с Землёй на очень больших расстояниях. Чтобы выполнить эти задачи, платформа должна быть сделана на заказ.

Миссия продлится около 10 лет и будет включать в себя 8 гравитационных вспомогательных манёвров, цель которых – установить правильную солнечную орбиту и вывести космический аппарат из плоскости эклиптики. Каждая орбита будет длиться 6 месяцев.

Solar Orbiter должен подойти близко к Солнцу – вне плоскости эклиптики (где находятся все планеты)– так чтобы ему можно было наблюдать за полюсами Солнца и за экватором. Эта уникальная орбита позволит совершать продолжительные исследования одного и того же места, причём с возможностью максимально согласовать угловую скорость космического аппарата и Солнца. Несколько сложных приборов будут делать удалённые измерения Солнца и внешней солнечной атмосферы (короны), а также измерения полей и частиц на месте.

Проблемы конструктивных решений

Как и подобает такой амбициозной миссии, есть ряд сложных задач в области дизайна. Из-за пускового обтекателя космический аппарат должен вместить большой объём оборудования и приборов в ограниченное пространство. Это, в свою очередь, создаёт огромные проблемы для достижения требований, относящихся к электрическим, магнитным, частичным и молекулярным загрязнениям, а также проблемы интеграции и тестирования. Сложенные пропорции космического аппарата на старте не должны превышать 2,5x2 м, 5x3,5 м, тогда как развёрнутый космический аппарат в солнечной орбите имеет размер диапазона эксплуатационных режимов 17x12x6 м.

Космический аппарат приблизится настолько близко к Солнцу, что будет испытывать поток солнечного излучения в 25 раз выше, чем на поверхности Земли. Это приведёт к большому диапазону температур на космическом аппарате: от 600 °С по стороне, обращённой к Солнцу, и до –200 градусов по «холодной» стороне.

Для обеспечения устойчивости космический аппарата в такой ситуации системы наведения, навигации и управления (GNC) должны будут удерживать космический аппарат в 0,8 АЕ от Солнца (где 1 АЕ равна расстоянию между Солнцем и Землёй), тогда он всегда сможет поворачиваться к Солнцу теплозащитным экраном. Это означает, что инженеры должны определить «теневые области» на космическом аппарате, которые никогда не попадут под прямые солнечные лучи.

Теплозащитный экран – ключевая часть оборудования по защите космического аппарата от высоких температур. Он сделан из нескольких слоёв. Наружная поверхность состоит из пачки слоёв титановой фольги на высоких температурах. Дальше идёт щель, которая позволяет части солнечного тепла излучаться вне космического аппарата, затем идут слои низкотемпературной фольги и опорная конструкция. Вся эта сборка изолирована или «термически отделена» от космического аппарата с помощью титановых «лезвий» в качестве опор.

Повёрнутая к Солнцу лицевая поверхность титановой фольги покрыта защитным слоем, называемым SolarBlack. Эта субстанция была разработана специально для Solar Orbiter и позволит космическому аппарату находиться в температурном режиме до 600 °C и под очень высокими дозами УФ-излучения без какого-либо ухудшения производительности.

SolarBlack является натуральным продуктом. Он производится путём контролируемого термического разложения костей животных для получения чёрного порошка, содержащего фосфор, кальций, углерод, кислород и кремний. Он наносится на титановую фольгу запатентованным способом, который фиксирует покрытие на поверхности при комнатной температуре. Покрытие УФ-стабильно, проводящее, терпимо к высоким и низким температурам и демонстрирует очень стабильные термо-оптические свойства.

Будучи немного больше, чем корпус космического аппарата, теплозащитный экран гарантирует, что космический аппарат остаётся в тени и поток солнечного излучения, получаемый электроникой и механизмами, ограничен. Сложность в том, что для изучения Солнца приборы должны быть в состоянии видеть приводящий в трепет солнечный диск. Для этого теплозащитный экран имеет встроенные отверстия, известные как вводы, которые позволяют солнечному излучению проникать непосредственно в приборы дистанционного зондирования. Эти отверстия могут быть закрыты дверцами, когда прибор не используется или должен быть защищён.

Приборы будут добывать солнечную радиацию на длинах волн, представляющих интерес, и изгонять избыточный и неиспользованный поток вдоль специально разработанных тепловых ремней к радиаторам, установленными сбоку. Все элементы вдоль этой цепочки – с отверстиями на солнцезащитном экране до приборов дистанционного зондирования и, наконец, тепловых ремней и радиаторов – термически отделены от корпуса космического аппарата.

Новая высокотемпературная технология Solar Array была использована, чтобы позволить солнечным панелям работать в температурах до 300 °C. Когда космический аппарат приблизится к Солнцу, панели будут наклонены так, чтобы уменьшить уровень радиации, направленной на них, и тем самым воспрепятствуют перегреву.

Как остаться на связи

Расстояние между Solar Orbiter и Землёй, которая в определённое время может достигать 300 миллионов километров, делает общение сложным. Сила сигнала в 225 миллионов миллиардов раз меньше, чем для околоземных миссий, и скорость передачи данных – всего 180 кбит/с, что ниже стандартной 3G или Wi-Fi связи. Космический аппарат реализует стратегию «хранить и пересылать», чтобы важные для науки данные не потерялись во время периодов отсутствия контакта, которые могут длиться до 2,5 месяцев. Эти отключения происходят потому, что Солнце иногда находится непосредственно между космическим аппаратом и Землёй.

Как молекулярная чистота, так и чистота частиц является ещё одним важным элементом дизайна. В частности, оптические приборы должны работать в чрезвычайно чистой среде, чтобы избежать ухудшения производительности. В связи с этим на протяжении всего этапа сборки космический аппарат находится в чистой окружающей среде, инструменты вплоть до запуска проходят постоянную обработку азотом.

Аккуратное размещение подруливающих устройств и наличие разных режимов на орбите включены в дизайн, чтобы избежать загрязнения неизрасходованным топливом. Все материалы, используемые в разработке космического аппарата, были выбраны после детального анализа и прогноза возможности загрязнения на орбите.

Ряд приборов предназначен для мониторинга магнитного поля Солнца и должен быть защищён от любых магнитных полей, создаваемых самим космическим аппаратом. Электроника и двигатели являются потенциальными источниками электромагнитных помех для этих приборов на месте. Космический аппарат разрабатывается так, чтобы минимизировать отклонение заряженных частиц, радиопомехи и электростатический заряд, поэтому уровни колеблющихся и статических магнитных полей сводятся к минимуму. Опять же, проводились внимательные исследования используемых материалов, де-магнетизации оборудования, защиты там, где это уместно, и широкое использование проводящих покрытий и стратегий заземления.

Проект Solar Orbiter является серьёзным мероприятием и толкает спутниковую технологию до самых пределов её возможностей. Он также использует более 80 поставщиков основных частей космического аппарата из более чем 20 стран.

Важная испытательная конструкционная модель в настоящее время проходит тестирование на объекте в Германии, чтобы гарантировать, что все механические и тепловые вопросы проектирования улажены. Это будет гарантировать, что космический аппарат не постигнет участь Икара. Строительство модели для полёта начнётся всерьёз в 2016 году. Он должен быть готов к испытанию в 2017. Запуск ожидается в 2018 году.

Всё при нём

Solar Orbiter обеспечивает уникальное сочетание приборов для познавания того, как Солнце создаёт гелиосферы и управляет ими, а также для исследования магнитного «пузыря», который окружает Солнечную систему. Десять приборостроительных консорциумов со всей Европы и США разработали приборы, которые будут:

• измерять локальные электрические, магнитные и электростатические поля;
• анализировать составляющие солнечного ветра, то есть вечный поток частиц, выпущенных Солнцем;
• осуществлять визуализацию и спектроскопию полного диска Солнца и подробных крупных планов со всего электромагнитного спектра;
• выполнять ультрафиолетовую и экстрим-ультрафиолетовую коронографию, чтобы выявить внешнюю атмосферу Солнца (корону);
• обеспечивать широкое поле зрения наблюдения за светом, рассеянным частицами солнечного ветра.

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
Ultimate sunbather: NASA and ESA collaborate on Solar Orbiter
 журнал «ROOM» № 2(4) 2015