MESSENGER

• 

  MESSENGER

Мессенджер (англ. MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging — MESSENGER) — американская автоматическая межпланетная станция (АМС), которая была разработана с целью исследования Меркурия. АМС Мессенджер была запущена 3 августа 2004 года со станции ВВС США «Мыс Канаверал» с помощью ракеты-носителя Дельта 7925H-9.5. 18 марта 2011 года в 01:10 (UTC) станция благополучно вышла на орбиту Меркурия.

Задачи полета

Планета меркурий относится к одним из самых малоизученных объектов Солнечной системы. За всю историю исследований США планету Меркурий посетил всего лишь один аппарат — Маринер-10, 3 раза пролетевший мимо планеты в 1974—1975 годах. В данном полете, было заснято меньше половины поверхности Меркурия, отсутствовали данные о химическом составе, строении планеты и многом другом. С целью устранения этих пробелов НАСА была организована миссия Мессенджер. После принятия решения о продлении срока службы аппарата на год (изначально он должен был завершить работу 17 марта 2012 года) в задачи полета также было включено изучение воздействия увеличения солнечной активности на Меркурий в ходе начала нового солнечного цикла.

Конструкция аппарата

Стартовая масса АМС MESSENGER – составляла около 1100 кг, причем около 600 кг (более половины всей массы) – занимало топливо. Корпус аппарата изготовлен из композиционного графитового материала и имеет размеры 1,42×1,85×1,27 м. Из-за значительной мощности солнечного излучения у орбиты Меркурия (в 11 раз выше, чем у Земли) предприняты специальные меры для обеспечения приемлемого теплового режима КА. Обращенная к Солнцу сторона аппарата прикрыта солнцезащитным экраном размером 2,5×2 м, сам корпус укутан в многослойную теплоизоляцию, а для отвода тепла от корпуса КА предусмотрены радиаторы и тепловые трубы. Источником энергии для станции служат две односторонние поворотные панели солнечных батарей (СБ) размером 1,5×1,65 м с фотоэлементами на арсениде галлия. Они способны вырабатывать более 2 кВт, но аппарату достаточно всего 385—485 Вт на стадии перелета и 640 Вт при работе на орбите, поэтому СБ будут ориентировать под разными углами. Более того, 67 % площади панелей — это небольшие зеркала, которые отражают большую часть солнечных лучей и не дают панели перегреться.

Двигательная установка станции включает в себя двухкомпонентный маршевый двигатель с тягой 68 кгс для больших манёвров и 16 малых однокомпонентых ЖРД. Горючее (гидразин) и окислитель (тетраоксид азота) хранятся в трёх титановых баках диаметром 56 см и длиной 104 см; гелий, находящийся под высоким давлением, обеспечивает их подачу в двигатели. В систему связи аппарата входят две антенны высокого усиления HGA типа «фазированная решётка», а также две веерные антенны среднего усиления MGA и четыре антенны низкого усиления LGA. Все антенны закреплены неподвижно, что повышает их надёжность; при этом сигналы фазированных решёток (впервые используется в «дальнем космосе») могут быть направлены под углом до 45° к оси самой антенны. 11-ваттный передатчик обеспечивает передачу данных с борта на Землю в диапазоне X со скоростью от 9,9 бит/с до 104 кбит/с. Команды с Земли на борт идут со скоростью от 7,8 до 500 бит/с. Ориентация осуществляется с помощью двух звёздных датчиков, а также четырёх гироскопов и четырёх акселерометров, входящих в состав инерциального измерительного блока IMU (Inertial Measurment Unit). «Мозгом» аппарата являются 2 модуля интегрированной электроники IEM (основной и резервный), каждый из них имеет главный процессор RAD6000 (25 МГц) и аналогичный процессор для защиты от сбоев (10 МГц). В состав каждого IEM также входит твердотельное запоминающее устройство с памятью 1 Гбайт.

Научная аппаратура

В состав научной аппаратуры АМС входят:

1. Двухрежимная камера MDIS (Mercury Dual Imaging System) предназначена для топографической съёмки и детального исследования ландшафта Меркурия; состоит из широкоугольной и узкоугольной мультиспектральных камер. Широкоугольная камера имеет поле обзора 10,5° и 12 различных фильтров для наблюдения в диапазонах спектра от 400 до 1100 нм. Узкоугольная камера с полем обзора 1,5° будет получать детальные чёрно-белые изображения поверхности планеты;
2. Рентгеновский спектрометр XRS (X-Ray Spectrometer) предназначен для определения элементного состава тонкого (1 мм) верхнего слоя поверхности Меркурия с разрешением от 200 до 1000 км. Он регистрирует рентгеновское излучение с энергией в пределах от 1 до 10 кэВ, где находятся спектральные линии магния, алюминия, кремния, серы, кальция, титана и железа, а также солнечное рентгеновское и гамма-излучение;
3. Гамма-спектрометр и нейтронный спектрометр GRNS (Gamma-Ray and Neutron Spectrometer) предназначен для регистрации нейтронов и гамма-лучей от элементов на поверхности Меркурия, испускаемых под воздействием космического излучения, а также естественного излучения радиоактивных элементов. Прибор будет применяться для картографирования поверхности планеты с целью определения элементного состава её коры, и в частности — обнаружения полярных льдов;
4. Спектрометр энергичных частиц и плазмы EPPS (Energetic Particle and Plasma Spectrometer) предназначен для изучения состава, распределения и энергии заряженных частиц в магнитосфере Меркурия. Состоит из спектрометра заряженных частиц EPS и высокоскоростного плазменного спектрометра FIPS;
5. Спектрометр для исследования состава атмосферы и поверхности MASCS (Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer) предназначен для определения состава верхней атмосферы и поверхности Меркурия. Он включает в себя два спектрометра: видимого и УФ-диапазона и видимого и ИК-диапазона;
6. Лазерный высотомер MLA (Mercury Laser Altimeter) предназначен для высокоточной топографической съёмки поверхности Меркурия;
7. Трёхкомпонентный магнитометр MAG предназначен для исследования магнитных аномалий на поверхности Меркурия, а также для изучения структуры и динамики его магнитного поля.

Полёт к Меркурию

Меркурий является одним из самых труднодостижимых объектов Солнечной системы: чтобы перебраться с околоземной на околомеркурианскую орбиту, нужно погасить значительную часть орбитальной скорости Земли, которая составляет примерно 30 км/с. В настоящее время ни один аппарат не способен на прямой перелёт к Меркурию, и обычно применяется сложная стратегия из многочисленных гравитационных манёвров.

Траектория Мессенджера предусматривает 6 таких манёвров: 2 августа 2005 г. аппарат прошёл на высоте 2347 км от поверхности Земли, 24 октября 2006 г. состоялся пролёт около Венеры с минимальной высотой 2992 км, 5 июня 2007 г. Мессенджер ещё раз пролетел вблизи Венеры по верхней границе облаков на высоте 338 км от поверхности планеты.

Во время первого пролёта мимо Венеры не было предусмотрено никакой программы научных исследований, потому что Венера и Солнце находились в верхнем соединении. Во время своего второго пролёта мимо Венеры Мессенджер сделал серию из 50 снимков удаляющейся планеты: первый — находясь на расстоянии в 60,6 тыс. км от планеты, последний — в 89,3 тыс. км. В течение второго пролёта Венеры Мессенджер также провел совместные работы по изучению поверхности Венеры с европейским космическим аппаратом «Венера Экспресс». Кроме возможности сравнения данных полученных двумя КА, находящимися на разных траекториях и обладающими разными исследовательскими инструментами, эта работа стала для Мессенджер проверкой функционирования его научного оборудования. 14 января в 19:04 по Гринвичу, 6 октября 2008 г. и 30 сентября 2009 г. MESSENGER осуществил пролёты вблизи Меркурия, и 18 марта 2011 года аппарат вышел на высокоэллиптическую полярную орбиту вокруг самой близкой к Солнцу планеты. Наименьшая высота в перигермесии составит 200 км. Аппарат должен проработать на орбите Меркурия двое меркурианских суток, то есть немного меньше земного года.

14 января 2008 года Мессенджер совершил первый пролёт мимо Меркурия (минимальное расстояние — 200 км), передав подробные снимки поверхности.

6 октября 2008 года зонд Мессенджер совершил второй пролёт в непосредственной близости от Меркурия. В ходе пролёта были получены снимки Меркурия, на которых обнаружились непонятные точки какого-то тёмного вещества, обильно разбросанные по его поверхности. Они намного темнее фона и, судя по всему, представляют собой «выбоины», оставленные метеоритными ударами. Однако не все кратеры даже одинаковой глубины демонстрируют на дне материал одинаковой структуры — это говорит о том, что распределение вещества под поверхностью планеты неоднородно. Геологически крохотный Меркурий оказывается не так-то прост, и структура его не представляет собой элементарный «бутерброд».

Состав этой тёмной породы неизвестен. Возможно, она содержит тёмный минерал наподобие ильменита, состоящего из железа и титана и весьма распространённого не только на Земле, но и на Луне. Может она быть и кремниевой, с включениями железа. Ученые надеются, что больше света на эти тёмные участки прольют дополнительные исследования Мессенджера.

Кроме того, в ходе второго пролета зонд тщательно промерил меркурианский ландшафт и показал, что по высоте он в той области, которая была исследована, остается удивительно постоянным. Эта область (западное полушарие, окрестности экватора) на 30 % более ровная, чем противоположная. В коре Меркурия обнаружен резкий перепад высотой целых 600 м, который может быть «шрамом», оставленным на планете в результате её сжимания в период быстрого остывания.

29 сентября 2009 года Мессенджер совершил третий пролёт мимо Меркурия. В 21:55 UTC аппарат прошел на расстоянии 228 км от поверхности планеты.

17 марта 2011 года Мессенджер выполнил манёвр торможения и начал выходить на орбиту вокруг Меркурия.

18 марта в 4 утра по московскому времени Мессенджер завершил торможение и перешёл на орбиту вокруг Меркурия. Планируется, что зонд проработает на орбите в течение года. Во время работы будут проводиться поиски воды на планете, а также предстоит выяснить, почему ядро планеты занимает более 70 % её объёма.

29 марта зонд передал первые снимки поверхности планеты со своей постоянной орбиты. За шесть часов было передано 363 изображения. Всего планируется сделать порядка 75000 фотографий.

Результаты

Анализ солнечных вспышек с нейтронного детектора зонда показал наличие высокоэнергетических нейтронов, которые не могут наблюдаться на орбите Земли из-за их малого времени жизни. Анализ магнитосферы Меркурия во время январского и октябрьского пролетов позволил сделать вывод о сильном взаимодействии между магнитными полями планеты и солнечным ветром.

Интересные факты

Чтобы выйти на орбиту вокруг планеты, АМС Мессенджеру потребовалось шесть с половиной лет. Любопытно, что полет к Плутону, гораздо более удалённому, у миссии New Horizons займёт лишь на три года больше (но New Horizons не будет выходить на орбиту Плутона).