Когда вы путешествуете в дальние страны, соблюдайте осторожность. То, что вы несете, должно быть всеобъемлющим, но не настолько, чтобы это было бременем. И как только вы приедете, вы должны быть готовы сделать что-то необычное, чтобы сделать долгое путешествие стоящим.
Предыдущая статья в космическом журнале «Как вы приземлились на комету?» описал технику посадки Филе на комету 67P / Чурюмов-Герасименко. Но что будет делать посадочный аппарат, когда он прибудет и поселится в своем новом окружении? Как сказал Генри Дэвид Торо: «Не стоит путешествовать по всему миру, чтобы считать кошек на Занзибаре». Так же и с Розеттским посадочным аппаратом Philae. С установленной сценой - выбранной посадочной площадкой и датой приземления 11 ноября, посадочный аппарат Philae оснащен тщательно продуманным набором научных инструментов. Комплексный и компактный, Philae похож на швейцарский армейский нож для проведения первой (на месте) экспертизы кометы.
Теперь рассмотрим научные инструменты на Philae, которые были отобраны около 15 лет назад. Как и для любого хорошего путешественника, необходимо было установить бюджеты, которые действовали как ограничения на выбор инструментов, которые можно было бы упаковать и взять с собой в путешествие. Был максимальный вес, максимальный объем и мощность. Конечная масса Philae составляет 100 кг (220 фунтов). Его объем составляет 1 × 1 × 0,8 метра (3,3 × 3,3 × 2,6 фута), что соответствует размеру четырехконфорочной духовки. Однако по прибытии Philae должен работать с небольшим количеством накопленной энергии: 1000 Вт-часов (эквивалент лампы на 100 Вт, работающей в течение 10 часов). Как только эта мощность будет разряжена, она будет вырабатывать максимум 8 Вт электроэнергии из солнечных батарей, которые будут накапливаться в батарее мощностью 130 Вт.
Без какой-либо уверенности в том, что они приземлятся случайно и будут производить больше энергии, конструкторы Philae предоставили батарею большой емкости, которая заряжается, только один раз, первичными солнечными батареями космического корабля (64 кв. М) до спуска на комету. С первоначальной последовательностью научных команд на борту Philae и запасом заряда батареи от Rosetta Philae не будет тратить время на то, чтобы начать анализ - в отличие от криминалистического анализа - на «рассечение» кометы. После этого они используют меньшую батарею, для зарядки которой требуется не менее 16 часов, но это позволит Philae изучать 67P / Churyumov-Gerasimenko в течение потенциально месяцев.
На корабле Philae 10 пакетов с научными приборами. Инструменты используют поглощенный, рассеянный и излучаемый свет, электрическую проводимость, магнетизм, тепло и даже акустику для анализа свойств кометы. Эти свойства включают структуру поверхности (морфологию и химический состав поверхностного материала), внутреннюю структуру P67, а также магнитное поле и плазму (ионизированные газы) над поверхностью. Кроме того, у Philae есть рукоятка для одного инструмента, а основной корпус Philae можно поворачивать на 360 градусов вокруг своей оси Z. Пост, который поддерживает Philae и включает в себя гаситель удара.
CIVA и ROLIS системы визуализации. CIVA представляет три камеры, которые совместно используют ROLIS. CIVA-P (Panoramic) - это семь идентичных камер, распределенных по всему телу Philae, но две из которых работают в тандеме для стереоизображения. Каждый из них имеет поле зрения 60 градусов и использует детектор CCD 1024 × 1024. Как помнят большинство людей, цифровые камеры быстро развивались за последние 15 лет. Имидж-сканеры Philae были спроектированы в конце 1990-х годов, почти на современном уровне, но сегодня они превосходят, по крайней мере, по количеству пикселей, большинство смартфонов. Однако, помимо аппаратного обеспечения, обработка программного обеспечения также продвинулась вперед, и изображения могут быть улучшены, чтобы удвоить их разрешение.
CIVA-P будет иметь непосредственную задачу, как часть первоначальной автономной последовательности команд, по обследованию всего места посадки. Это имеет решающее значение для развертывания других инструментов. Он также будет использовать вращение оси Z тела Philae для съемки. CIVA-M / V - это микроскопический трехцветный томограф (разрешение 7 микрон), а CIVA-M / I - спектрометр ближнего инфракрасного диапазона (диапазон длин волн от 1 до 4 микрон), который будет проверять каждый из образцов, доставляемых в печи COSAC & PTOLEMY перед нагревом образцов.
ROLIS - это одиночная камера, также с ПЗС-детектором 1024 × 1024, с основной ролью съемки места посадки во время спуска. Камера фиксируется и направлена вниз с помощью объектива с фокусным расстоянием f / 5 (отношение f) с углом обзора 57 градусов. Во время спуска он установлен на бесконечность и будет снимать каждые 5 секунд. Его электроника сжимает данные, чтобы минимизировать общее количество данных, которые должны храниться и передаваться в Rosetta. Фокус будет регулироваться непосредственно перед приземлением, но после этого камера будет работать в макрорежиме для спектроскопической съемки кометы непосредственно под Philae. Вращение тела Philae создаст «рабочий круг» для ROLIS.
Многоцелевой дизайн ROLIS ясно показывает, как ученые и инженеры работали вместе, чтобы в целом снизить вес, объем и энергопотребление, и сделали возможным использование Philae и, вместе с Rosetta, вписывание в пределы полезной нагрузки ракеты-носителя, ограничения мощности солнечного излучения. элементы и батареи, ограничения системы команд и данных и радиопередатчиков.
APXS. Это Рентгеновский спектрометр Alpha Proton, Это почти необходимый инструмент швейцарского армейского ножа космического ученого. Спектрометры APXS стали обычным явлением во всех миссиях Mars Rover, а Philae - это модернизированная версия Mars Pathfinder. Наследием дизайна APXS являются ранние эксперименты Эрнеста Резерфорда и других, которые привели к открытию структуры атома и квантовой природы света и вещества.
Этот прибор имеет небольшой источник излучения альфа-частиц (Curium 244), необходимый для его работы. Принцип резерфордского обратного рассеяния альфа-частиц используется для обнаружения присутствия более легких элементов, таких как водород или бериллий (те, которые по массе близки к альфа-частице, ядру гелия). Масса таких более легких элементарных частиц будет поглощать измеримое количество энергии от альфа-частицы во время упругого столкновения; как это происходит в Резерфорде обратного рассеяния около 180 градусов. Однако некоторые альфа-частицы поглощаются, а не отражаются ядрами материала. Поглощение альфа-частицы вызывает излучение протона с измеримой кинетической энергией, которая также уникальна для элементарной частицы, из которой она произошла (в кометном материале); это используется для обнаружения более тяжелых элементов, таких как магний или сера. Наконец, электроны внутренней оболочки в интересующем материале могут быть удалены альфа-частицами. Когда электроны из внешних оболочек заменяют эти потерянные электроны, они испускают рентгеновское излучение удельной энергии (кванта), уникальное для этой элементарной частицы; таким образом, обнаруживаются более тяжелые элементы, такие как железо или никель. APXS - это воплощение физики частиц начала XX века.
Концертный. Эксперимент по зондированию ядра с помощью радиоволновой передачикак следует из названия, будет передавать радиоволны в ядро кометы. Орбитальный аппарат Rosetta передает 90 МГц радиоволны, и одновременно Philae стоит на поверхности, чтобы принимать с кометой, находящейся между ними. Следовательно, время прохождения через комету и оставшаяся энергия радиоволн является сигнатурой материала, через который она распространялась. Многие радиопередачи и приемы CONSERT через множество углов потребуются для определения внутренней структуры кометы. Это похоже на то, как можно почувствовать форму темного объекта, стоящего перед вами, поворачивая голову влево и вправо, чтобы посмотреть, как меняется силуэт; в целом ваш мозг воспринимает форму объекта. Для данных CONSERT необходим сложный процесс деконволюции с использованием компьютеров. Точность, с которой известен интерьер кометы, улучшается при увеличении количества измерений.
MUPUS. Многоцелевой датчик для поверхностных и подземных исследований представляет собой набор детекторов для измерения энергетического баланса, тепловых и механических свойств поверхности и поверхности кометы на глубину до 30 см (1 фут). MUPUS состоит из трех основных частей. Существует PEN, который является пробивной трубкой. PEN прикреплен к ударному рычагу, который простирается до 1,2 метра от тела. Он разворачивается с достаточной нисходящей силой, чтобы проникнуть и похоронить PEN ниже поверхности; возможны несколько ударов молотка. На конце или якоре PEN (пробивной трубки) находится акселерометр и стандартный PT100 (платиновый термометр сопротивления). Вместе якорные датчики будутопределить профиль твердости на посадочной площадке и температуропроводность на конечной глубине [ref], По мере того как он проникает в поверхность, более или менее замедление указывает на более твердый или мягкий материал. PEN включает в себя массив из 16 тепловых детекторов по своей длине для измерения подземных температур и теплопроводности. PEN также имеет источник тепла для передачи тепла материалу кометы и измерения его тепловой динамики. При отключенном источнике тепла детекторы в PEN будут следить за температурным и энергетическим балансом кометы, когда она приближается к Солнцу и нагревается. Вторая часть - это MUPUS TM, радиометр на ручке, который измеряет тепловую динамику поверхности. ТМ состоит из четырех термобатарейных датчиков с оптическими фильтрами для покрытия в диапазоне длин волн от 6-25 мкм.
SD2 Пробоотборное и распределительное устройство будет проникать на поверхность и под поверхность на глубину до 20 см. Каждый извлеченный образец будет иметь объем в несколько кубических миллиметров и распределен по 26 печам, установленным на карусели. Печи нагревают образец, который создает газ, который подается на газовые хроматографы и масс-спектрометры COSAC и PTOLEMY. Наблюдения и анализ данных APXS и ROLIS будут использоваться для определения мест отбора проб, все из которых будут находиться на «рабочем круге» от вращения тела Филе вокруг его оси Z.
COSAC Выборка и состав комет эксперимент. Первый газовый хроматограф (ГХ), который я увидел, находился в лаборатории колледжа и использовался руководителем лаборатории для проведения судебно-медицинских экспертиз в местном отделении полиции. Цель Philae - не что иное, как проведение судебных испытаний на комете в сотне миллионов миль от Земли. Philae - фактически шпионский стакан Шерлока Холмса, и Шерлок - все исследователи назад на Земле. Газовый хроматограф COSAC включает в себя масс-спектрометр и будет измерять количество элементов и молекул, особенно сложных органических молекул, составляющих кометный материал. В то время как тот первый лабораторный сборщик мусора, который я видел, был ближе к размеру Philae, два сборщика мусора в Philae были размером с обувные коробки.
Птолемей. Evolved Gas Analyzer [ref], газовый хроматограф другого типа. Цель Птолемея состоит в том, чтобы измерить количество конкретных изотопов для получения изотопных отношений, например, 2 части изотопа C12 на одну часть C13. По определению, изотопы элемента имеют одинаковое количество протонов, но различное количество нейтронов в их ядрах. Одним из примеров являются 3 изотопа углерода, C12, C13 и C14; числа, являющиеся числом нейтронов. Некоторые изотопы стабильны, в то время как другие могут быть нестабильны - радиоактивны и распадаются в стабильные формы того же элемента или в другие элементы. Что интересует исследователей Птолемея, так это соотношение стабильных изотопов (естественных и не связанных с радиоактивным распадом или вызванных ими) для элементов H, C, N, O и S, но особенно для углерода. Соотношения будут показательными индикаторами того, где и как создаются кометы. До настоящего времени спектроскопические измерения комет для определения изотопных отношений проводились на расстоянии, и точность была недостаточной для того, чтобы делать твердые выводы о происхождении комет и о том, как кометы связаны с созданием планет и развитием Солнечной туманности, место рождения нашей планетной системы, окружающей Солнце, нашей звезды. Развитый газоанализатор будет нагревать образец (~ 1000 С), чтобы преобразовать материалы в газообразное состояние, которое спектрометр может очень точно измерить величины. Аналогичный прибор, TEGA (Thermal Evolved Gas Analyzer), был прибором на посадочном аппарате Mars Phoenix.
Кунжутное Эксперимент по наземному электрическому зондированию и акустическому мониторингуЭтот инструмент включает три уникальных детектора. Первый - это SESAME / CASSE, акустический детектор. У каждой приземляющейся ноги Philae есть акустические излучатели и приемники. Каждая из ветвей будет по очереди передавать акустические волны (от 100 Гц до килогерц) в комету, которую будут измерять датчики других ветвей. То, как эта волна ослабляется, то есть ослабляется и трансформируется кометным материалом, через который она проходит, может использоваться вместе с другими кометными свойствами, приобретенными инструментами Philae, для определения суточных и сезонных изменений в структуре кометы на глубину около 2. метров. Кроме того, в пассивном (прослушивающем) режиме CASSE будет отслеживать звуковые волны от скрипов, стонов внутри кометы, которые могут быть вызваны нагрузками от солнечного отопления и вентиляционных газов.
Следующим является детектор СЕЗАМ / ПП - датчик диэлектрической проницаемости. Диэлектрическая проницаемость - это мера сопротивления материала электрическим полям. SESAME / PP доставит колеблющееся (синусоидальное) электрическое поле в комету. Ноги Филе несут приемники - электроды и синусоидальные генераторы переменного тока для излучения электрического поля. Таким образом измеряется сопротивление материала кометы на глубине около 2 метров, что обеспечивает другое существенное свойство кометы - диэлектрическую проницаемость.
Третий детектор называется SESAME / DIM. Это счетчик пыли кометы. Было несколько ссылок, использованных для составления этих описаний инструментов. Для этого инструмента есть то, что я бы назвал, красивое описание, которое я просто приведу здесь со ссылкой. «Куб Dust Impact Monitor (DIM) в верхней части балкона Lander представляет собой датчик пыли с тремя активными ортогональными (50 × 16) мм пьезодатчиками. Из измерения пикового напряжения переходного процесса и продолжительности половины контакта можно рассчитать скорости и радиусы частиц пыли. Частицы с радиусами от 0,5 до 3 мм и скоростями от 0,025 до 0,25 м / с могут быть измерены. Если фоновый шум очень высок или скорость и / или амплитуды пакетного сигнала слишком высоки, система автоматически переключается в так называемый режим «Средний непрерывный»; то есть будет получен только средний сигнал, измеряющий поток пыли ». [Ссылка]
ROMAP Розетта Ландер Магнитометр и плазма Детектор также включает в себя третий детектор, датчик давления. Несколько космических аппаратов управляли кометами, и собственное магнитное поле, созданное ядром кометы (основной частью), никогда не было обнаружено. Если существует собственное магнитное поле, оно, вероятно, будет очень слабым, и приземление на поверхность будет необходимо. Обнаружение одного было бы необычным и перевернуло бы теории относительно комет на их головах. Низко и вот, у Филе есть магнитометр с флюсгейтом.
Магнитное (B) поле Земли, окружающее нас, измеряется в десятках тысяч нанотесла (единица СИ, миллиардная часть Теслы). За пределами поля Земли все планеты, астероиды и кометы погружены в магнитное поле Солнца, которое вблизи Земли измеряется однозначными числами, от 5 до 10 нанотесла. Детектор Philae имеет диапазон +/- 2000 nanoTesla; на всякий случай, но один с готовностью предлагается FluxGates. Он имеет чувствительность 1/100 от нанотесла. Итак, ЕКА и Розетта пришли подготовленными. Магнитометр может обнаружить очень маленькое поле, если оно там. Теперь давайте рассмотрим плазменный детектор.
Большая часть динамики Вселенной связана с взаимодействием ионизованных плазмой газов (обычно отсутствует один или несколько электронов, несущих, таким образом, положительный электрический заряд) с магнитными полями. Кометы также вовлекают такие взаимодействия, и Philae имеет плазменный детектор для измерения энергии, плотности и направления электронов и положительно заряженных ионов. Активные кометы выпускают в космос нейтральный газ плюс мелкие твердые (пыль) частицы. Ультрафиолетовое излучение Солнца частично ионизует кометный газ хвоста кометы, то есть создает плазму. На некотором расстоянии от ядра кометы, в зависимости от того, насколько горячей и плотной является эта плазма, существует противостояние между магнитным полем Солнца и плазмой хвоста. Поле B Солнца обвивается вокруг хвоста кометы, словно белый лист, накинутый на Хэллоуин, но без глазных отверстий.
Таким образом, на поверхности P67 детектор Philae ROMAP / SPM, электростатические анализаторы и датчик Faraday Cup будут измерять свободные электроны и ионы в не столь пустом пространстве. «Холодная» плазма окружает комету; SPM обнаружит кинетическую энергию ионов в диапазоне от 40 до 8000 электрон-вольт (эВ) и электроны от 0,35 до 4200 эВ. И последнее, но не менее важное: ROMAP включает датчик давления, который может измерять очень низкое давление - миллиардную или миллиардную или меньше, чем давление воздуха, которым мы наслаждаемся на Земле. Используется вакуумметр Пеннинга, который ионизирует в основном нейтральный газ вблизи поверхности и измеряет генерируемый ток.
Philae будет нести 10 наборов инструментов на поверхность 67P / Чурюмов-Герасименко, но в общей сложности десять представляют 15 различных типов детекторов. Некоторые являются взаимозависимыми, то есть для получения определенных свойств требуется несколько наборов данных. Посадка Philae на поверхность кометы даст возможность измерить многие свойства кометы в первый раз и другие с существенно более высокой точностью. В целом ученые приблизятся к пониманию происхождения комет и их вклада в развитие Солнечной системы.
