Кіріспе
1990 ж. ғарышқа ұшқан робот; полярлық орбитаға жақын орбитадан Күнді зерттеді. Ulysses (/j//uː/'/l//ɪ//s//iː//z/ yooLISSeez, /UKalso/'/j//uː//l//ɪ//s//iː//z/ YOOlisseez) – Күнді айналып, оны барлық ендіктерде зерттеуді басты міндеті еткен роботтық ғарыш зонды. 1990 жылы ұшырылған ол 1994/1995, 2000/2001 және 2007/2008 жылдары Күнді үш рет жылдам скандап өтті. Сонымен қатар, зонд бірнеше кометаларды зерттеді. Ulysses – Еуропалық ғарыш агенттігі (ESA) және АҚШ Ұлттық аэронавтика және ғарыш басқармасының (NASA) бірлескен жобасы, ESA басшылығымен және Канаданың Ұлттық зерттеу кеңесінің қатысуымен жүзеге асырылды. "Улисс" миссиясының соңғы күні 2009 жылдың 30 маусымы болды. Күнді барлық ендіктерде зерттеу үшін зонд орбиталық еңістігін өзгертіп, Күн жүйесі жазықтығынан шығуы қажет болды. Ғарыш аппаратының орбиталық еңістігін шамамен 80°-қа өзгерту үшін гелиоцентрлік жылдамдықтың үлкен өзгеруі керек еді, ал мұндай энергияны қамтамасыз ету кез келген ұшыру құралының мүмкіндіктерінен асып түсетін. Күнді айналатын қажетті орбитаға жету үшін миссия жоспарлаушылары Юпитердің гравитациялық көмегімен маневр жасауды таңдады, бірақ бұл Юпитермен кездесу "Улисс" зондын күн батареяларымен қуаттандыруға мүмкіндік бермейтін. Сондықтан зондқа жалпы мақсаттағы жылу көзі – радиоизотопты термоэлектр генераторы (GPHS RTG) орнатылды. Ғарыш аппараты бастапқыда Одиссей деп аталды, себебі оның күн полюстерін зерттеуге арналған ұзақ және күрделі траекториясы болды. Бірақ ESA-ның өтініші бойынша, ол Омирдің мифологиялық батыры және Дантенің "Тозақ" поэмасындағы кейіпкері құрметіне "Одиссейдің" латын тіліндегі мағынасы – "Улисс" деп қайта аталды. Ulysses бастапқыда 1986 жылдың мамыр айында "Space Shuttle Challenger" ғарыш кемесімен STS-61F рейсінде ұшырылуы жоспарланған еді. Алайда, 1986 жылдың 28 қаңтарында "Challenger" жойылғандықтан, "Улисс" зондының ұшырылуы 1990 жылдың 6 қазанына дейін кешіктірілді ("Discovery" кемесімен, STS-41 миссиясы).
Ulysses (/j//uː/'/l//ɪ//s//iː//z/ yooLISSeez, /UKalso/'/j//uː//l//ɪ//s//iː//z/ YOOlisseez) was a robotic space probe whose primary mission was to orbit the Sun and study it at all latitudes. It was launched in 1990 and made three "fast latitude scans" of the Sun in 1994/1995, 2000/2001, and 2007/2008. In addition, the probe studied several comets. Ulysses was a joint venture of the European Space Agency (ESA) and the United States' National Aeronautics and Space Administration (NASA), under leadership of ESA with participation from Canada's National Research Council. The last day for mission operations on Ulysses was 30 June 2009. To study the Sun at all latitudes, the probe needed to change its orbital inclination and leave the plane of the Solar System. To change the orbital inclination of a spacecraft to about 80° requires a large change in heliocentric velocity, the energy to achieve which far exceeded the capabilities of any launch vehicle. To reach the desired orbit around the Sun, the mission's planners chose a gravity assist maneuver around Jupiter, but this Jupiter encounter meant that Ulysses could not be powered by solar cells. The probe was powered instead by a General Purpose Heat Source Radioisotope Thermoelectric Generator (GPHS RTG). The spacecraft was originally named Odysseus, because of its lengthy and indirect trajectory to study the solar poles. It was renamed Ulysses, the Latin translation of "Odysseus", at ESA's request in honor not only of Homer's mythological hero but also of Dante's character in the Inferno. Ulysses was originally scheduled for launch in May 1986 aboard the Space Shuttle Challenger on STS 61 F. Due to the 28 January 1986 loss of Challenger, the launch of Ulysses was delayed until 6 October 1990 aboard Discovery (mission STS 41).
Ғарыш кемесі
Ғарыш кемесі ESA жобалап, неміс ұшақ құрастырушысы Dornier Systems компаниясы салып шығарды. Корпусының пішіні шамамен қорапша тәрізді болды. Қорапқа антенна және GPHS RTG радиоизотоптық термоэлектр генераторының (RTG) қуат көзі орнатылды. Қораптың ішкі бөлігі шулы және тыныш аймақтарға бөлінді. Шулы аймақ RTG-ге жанасқан, ал тыныш аймақта құралдардың электроникасы орналасқан. Радиодипольдің алдын ала күшейткіштері сияқты аса "көкейкесті" компоненттер құрылымнан толығымен тысқары орнатылды, ал қорап Фарадей клеткасы қызметін атқарды. Ulysses өзінің z осінің айналуымен тұрақталды, бұл антенна тарелкасының осімен шамамен сәйкес келеді. RTG, сым антенналар және құралдардың иілімі осы осьті тұрақтандыру үшін орналастырылды, айналу жылдамдығы номиналды түрде 5 айналым/мин болды. Корпустың ішінде гидразин отын бакі болды. Гидразин монопропелланты Юпитерге қарай түзетулер жасау үшін қолданылды, ал кейіннен спин осін (және осымен антеннаны) Жерге қайта бағыттау үшін ғана қолданылды. Ғарыш кемесі екі топтағы сегіз қозғалтқышпен басқарылды. Қозғалтқыштар айналу немесе аударма жасау үшін уақыт бойынша импульстар жіберді. Төрт күн сенсоры бағдарды анықтады. Нақты бағытты басқару үшін S жолақты антеннаның тамақтандырғышы сәл ығыстырылды. Бұл ығысқан тамақтандырғыш, ғарыш кемесінің айналуымен бірігіп, Жерден жіберілген радиосигналға ғарыш кемесінде қабылданғанда көзге көрінетін тербеліс тудырды. Бұл тербелістің амплитудасы мен фазасы Жер бағытына қатысты спин осінің бағытына пропорционалды болды. Бағытты анықтаудың бұл әдісі конустық сканерлеу деп аталады және бұрынғы радарлар нысаналарды автоматты түрде қадағалау үшін, сондай-ақ алғашқы инфрақызыл басқарылатын зымырандарда кеңінен қолданылды. Ғарыш кемесі S жолағын жоғары және төменге жіберілетін командалар мен телеметрия үшін екі резевті 5 ватттық қабылдағыштар арқылы пайдаланды. Ғарыш кемесі ғылыми деректерді қайтару үшін (тек төменге жіберу) X жолағын қолданды, 2008 жылдың қаңтарында соңғы TWTA істен шыққанға дейін екі 20 ватттық TWTA пайдаланды. Екі жолақ та негізгі фокуспен тамақтандырылатын антеннаны қолданды, көптеген басқа ғарыш кемелерінің антенналарынан айырмашылығы, олар Кассегрендік тамақтандырғыштарды пайдаланды. Екі магниттік таспа құрылғысы, әрқайсысы шамамен 45 мегабит сыйымдылығымен, негізгі және кеңейтілген миссия кезеңдеріндегі сегіз сағаттық байланыс сессиялары арасында ғылыми деректерді сақтады. Ғарыш кемесі Күн жүйесінің ішкі бөлігінің ыстығына да, Юпитерден алыс қашықтықтағы суыққа да төтеп беруге арналған. Көптеген жамылғылар мен электр жылытқыштар зондты Күн жүйесінің сыртқы бөлігінің суық температурасынан қорғады. Бірнеше ғылыми құралдарда бірнеше компьютерлік жүйелер (CPU/микропроцессорлар/деректерді өңдеу бірліктері) қолданылды, соның ішінде бірнеше радиацияға төтеп беретін RCA CDP1802 микропроцессорлары бар. 1802-нің құжатталған қолданылуы COSPIN-дегі екі резевті 1802-ге, GRB, HI SCALE, SWICS, SWOOPS және URAP құралдарындағы кемінде бір 1802-ге, сондай-ақ басқа жерлерде орнатылған басқа микропроцессорларға жатады. Ұшырылған кездегі жалпы массасы 0,9 кг, оның ішінде 33,5 кг - бағытты басқару және орбитаны түзету үшін қолданылған гидразин отыны.
Құралдар
Он екі түрлі құрал ESA және NASA-дан келді. Алғашқы жоба екі зондқа негізделген, біреуі NASA-ның, екіншісі ESA-ның, бірақ NASA зондын қаржыландыру тоқтатылды және соңында жойылған зондтың құралдары "Улисс" кемесіне орнатылды. Радио/плазмалық антенналар: екі бериллий мыс антеннасы корпустан сыртқа қарай, RTG және айналу осьтеріне перпендикуляр бұрылған. Бұл диполь 72 метрге (236.2 фут) дейін созылды. Үшінші антенна, қуыс бериллий мысынан жасалған, денеден, табақтың қарама-қарсы айналу осьі бойымен шығарылды. Бұл 7.5 метр (24.6 фут) ұзындығындағы монопольдік антенна болды. Бұл антенналар плазманың шығарылуынан туындаған радио толқындарын немесе ғарыш кемесінің үстінен өтетін плазманың өзін өлшеді. Бұл қабылдағыш жиынтығы 0-ден 1 МГц-ке дейін сезімтал болды. Эксперименттік балка: Ғарыш кемесінің соңғы жағынан, RTG-ге қарама-қарсы орналасқан, қысқарақ және мықтырақ балканың үшінші түрі. Бұл 50 мм (2 дюйм) диаметріндегі көміртек талшықтан жасалған қуыс түтік болды. Фотосуретте денеге жанында орналасқан күміс түсті балканы көруге болады. Ол төрт түрлі құралды алып жүрді: екі кремний детекторларынан тұратын қатты күйдегі рентген құралы, күннің жарылыстары мен Юпитердің полярлық шамына зерттеу үшін; екі CsI сцинтиллятор кристалдарынан және фотокөбейтілгіштерден тұратын гамма сәулесінің жарылысы эксперименті; екі түрлі магнитометр, гелий векторлық магнитометр және флюксгейт магнитометр; және екі осьті магниттік іздеу катушкасы антеннасы AC магниттік өрістерін өлшеді. Корпуста орналасқан құралдар: Электрондарды, иондарды, бейтарап газдарды, шаңды және ғарыш сәулелерін анықтауға арналған детекторлар ғарыш кемесі корпусының тыныш бөлігіне орнатылды. Соңында, радиобайланыс каналы гравитациялық толқындарды іздеу үшін (Доплер эффектісі арқылы) және радио оккультация арқылы Күн атмосферасын зерттеу үшін қолданылуы мүмкін. Гравитациялық толқындар анықталған жоқ. Құралдардың жалпы массасы 55 кг құрады. Магнитометр (MAG): MAG гелиосферадағы магнит өрісін өлшеді. Юпитердің магнит өрісін өлшеу жұмыстары да жүргізілді. "Улисс" кемесінің магнит өрісін өлшеу үшін екі магнитометр қолданылды: Векторлы гелий магнитометрі және Флюксгейт магнитометрі. Күн жел плазмасы эксперименті (SWOOPS): Күннің барлық қашықтығы мен ендіктерінде және үш өлшемде күн желді анықтады. Ол оң иондар мен электрондарды өлшеді. Күн жел иондарының құрамын зерттеу құралы (SWICS): күн желді құрайтын атомдар мен иондардың құрамын, температурасын және жылдамдығын анықтады. Бірыңғай радио және плазма толқыны құралы (URAP): ғарыш кемесіне жақын жерде күннен және күн желде туындаған радио толқындарын және электромагниттік толқындарды анықтады. Энергиялық бөлшектер құралы (EPAC) және ГАС: EPAC гелиосферадағы энергиялық бөлшектердің энергиясын, ағынын және таралуын зерттеді. GAS жұлдызаралық газдарды зерттеді. Төмен энергиялы иондар мен электрондар эксперименті (HI SCALE): гелиосферадағы энергиялық бөлшектердің энергиясын, ағынын және таралуын зерттеді. Космикалық сәуле және Күн бөлшектері құралы (COSPIN): гелиосферадағы энергиялық бөлшектердің және галактикалық ғарыш сәулелерінің энергиясын, ағынын және таралуын зерттеді. Күннің рентген сәулелері мен ғаламдық гамма сәулелерінің жарылысы құралы (GRB): ғаламдық гамма сәулелерінің жарылысын және күннің жарылысынан туындаған рентген сәулелерін зерттеді. Шаң эксперименті (DUST): Күннен және Күн ендігінен қашықтыққа байланысты олардың қасиеттерін зерттеу үшін планетааралық және жұлдызаралық шаң бөлшектерін тікелей өлшеу.
Жоспарлау
Улисске дейін Күн төменгі гелиошироттықтардан ғана байқалатын. Жер орбитасы эклиптикалық жазықтықты анықтайды, ол Күннің экваторлық жазықтығынан бар болғаны 7.25°-қа ғана ерекшеленеді. Тіпті Күнді тікелей айналатын ғарыш кемелері де эклиптикаға жақын жазықтықта қозғалады, себебі жоғары бұрышты күн орбитасына тікелей ұшыру үшін тым үлкен ұшыру құралы қажет болар еді. 1970 жылдары бірнеше ғарыш кемелері (Маринер 10, Пионер 11 және Вояджер 1 мен 2) гравитациялық маневрлер жасады. Бұл маневрлер эклиптикаға жақын орбитада айналатын басқа планеталарға жету үшін жүзеге асырылды, сондықтан олар негізінен жазықтықты өзгертуге бағытталған. Дегенмен, гравитациялық көмек тек жазықтықтағы маневрлермен ғана шектелмейді; Юпитерден сәтті ұшып өту жазықтықтың айтарлықтай өзгеруіне әкелуі мүмкін. Осылайша, «Эклиптикадан Сыртқа» (Out Of The Ecliptic - OOE) миссиясы ұсынылды. Бастапқыда NASA мен ESA Халықаралық Күннің Полярлық Миссиясы аясында екі ғарыш кемесін құрастыру жоспарланған. Біреуі Юпитерден соң Күннің төменгі бөлігінен өтуге, екіншісі Юпитердің астынан, сосын Күннің үстінен ұшуға арналған. Бұл бір уақытта мәлімет алуға мүмкіндік берер еді. Бірақ 1981 жылы АҚШ-тың ғарыш кемесін қаржыландыру тоқтатылды. Бір ғарыш кемесі жобаланды және бұл жоба тікелей емес, сынақтан өтпеген ұшу жолына байланысты «Улисс» деп аталды. NASA радиоизотоптық термоэлектр генераторын (RTG) және ұшыру қызметтерін ұсынар еді, ал ESA Astrium GmbH (бұрынғы Dornier Systems), Германияның Фридрихсхафен қаласындағы ғарыш кемесін құрастыратын. Аспаптар Еуропа мен АҚШ-тың университеттері мен ғылыми-зерттеу институттарынан құралған топтар арасында бөлісу жоспарланған. Осы процестің нәтижесінде кемедегі 12 құрал жасалды. Бұл өзгерістер ұшыруды 1983 жылғы ақпаннан 1986 жылғы мамырға дейін ықпалдастырды, осы кезде оны «Челленджер» ғарыш шаттлымен (жоспарланған Centaur G Prime үстіңгі блогының көмегімен) орбитаға шығару жоспарланған. Алайда, «Челленджер» апаты шаттл паркін екі жарым жылға тоқтатуға мәжбүр етті, Centaur G үстіңгі блогының жойылдырылуын талап етті және ұшыру күнін 1990 жылғы қазанға дейін ұзартты.
Originally, two spacecraft were to be built by NASA and ESA, as the International Solar Polar Mission. One would be sent over Jupiter, then under the Sun. The other would fly under Jupiter, then over the Sun. This would provide simultaneous coverage. Due to cutbacks, the U. S. spacecraft was cancelled in 1981. One spacecraft was designed, and the project recast as Ulysses, due to the indirect and untried flight path. NASA would provide the Radioisotope Thermoelectric Generator (RTG) and launch services, ESA would build the spacecraft assigned to Astrium GmbH, Friedrichshafen, Germany (formerly Dornier Systems). The instruments would be split into teams from universities and research institutes in Europe and the United States. This process provided the 12 instruments on board. The changes delayed launch from February 1983 to May 1986 when it was to be deployed by the Space Shuttle Challenger (boosted by the proposed Centaur G Prime upper stage). However, the Challenger disaster forced a two and a half year stand down of the shuttle fleet, mandated the cancellation of the Centaur G upper stage, and pushed the launch date to October 1990.
Іске қосу
"Улисс" ғарыш аппараты "Дискавери" ғарыш кемесі арқылы Жердің төменгі орбитасына шығарылды. Одан ол қатты ракеталық қозғалтқыштардың күшімен Юпитерге қарай бағытталды. Бұл жоғарғы саты екі сатылы Boeing IUS (Inertial Upper Stage) және McDonnell Douglas PAM S (Payload Assist Module Special) құрамынан тұрды. IUS инерциялық түрде тұрақтандырылып, күйдіру кезінде белсенді басқарылды. PAM S бағытталмаған, сондықтан ол және "Улисс" күйдірудің басында тұрақтылық үшін минут сайын 80 айналымға дейін айналдырылды. PAM S тоқтаған кезде, қозғалтқыш пен ғарыш кемесі жиынтығы (кабельдердің ұштарына ілінген салмақтар арқылы) ғарыш кемесі бөлініп кетуге дейін минут сайын 8 айналымнан төменге дейін айналдырылды. Жерден шыққаннан кейін, ғарыш аппараты ең жылдам жасанды түрде үдетілген ғарыш аппараты болды және "New Horizons" зонды ұшырылғанға дейін бұл атақты сақтап тұрды. Юпитерге жол тартқанда ғарыш аппараты эллипстік, Хоманн емес орбитада болды. Осы кезде "Улисс" орбитасының эклиптикаға қатысты бұрышы төмен болды.
Юпитердің айналасынан өтуі
1992 жылғы 8 ақпанда Юпитерге жетті, бұл оның эклиптикаға бұрылуын 80.2°-қа арттырған гравитациялық маневр болды. Гигант планетаның тартылысы ғарыш кемесінің ұшу жолын оңтүстікке бұрып, эклиптика жазықтығынан алыстатты. Осының нәтижесінде ол Күннің солтүстік және оңтүстік полюстерінен өтетін Күнді айналатын соңғы орбитаға енді. Орбитаның мөлшері мен пішіні афелий Юпитердің Күннен шамамен 5 АЕ қашықтығында, ал перигелий Жердің Күннен шамамен 1 АЕ қашықтығынан сәл артық болатындай етіп түзетілді. Орбиталық айналым периоды шамамен алты жылды құрайды.
Күннің полярлық аймақтары
1994 және 1995 жылдары ол Күннің оңтүстік және солтүстік полюстерін сәйкесінше зерттеді.
C/1996 B2 кометасы (Хякутаке)
1996 жылы 1 мамырда ғарыш кемесі күтпеген жерден Хайкутаке кометасының (C/1996 B2) иондық құйрығынан өтті, осылайша құйрықтың ұзындығы кем дегенде 3,8 АЕ екені анықталды. Кейіннен "Улисс" ғарыш кемесі C/1999 T1 (Макнотт Хартли) кометасының иондық қалдықтарынан өтті. Короналық массаның шығарылуы кометалық материалды "Улисс"ке жеткізді.
Екінші Юпитермен кездесу
2003/2004 жылдары "Улисс" афелийге жетті және Юпитерді қашықтықтан одан әрі зерттеді.
C/2006 P1 кометасы (Макнотт)
2007 жылы "Улисс" C/2006 P1 (Макнотт) кометасының құйрығынан өтті. Нәтижелер Хайкутаке кометасының құйрығынан өту кезіндегіден күрт өзгеше болды, өлшенген күн желдің жылдамдығы секундына шамамен 700 километрден (сағатына 1,566,000 миль) секундына 400 километрден (сағатына 895,000 миль) азайды.
Кеңейтілген миссия
ЕКА ғылыми бағдарлама комитеті «Улисс» миссиясының мерзімін 2004 жылдың наурызына дейін төртінші рет ұзартты, осылайша 2007 және 2008 жылдары Күннің полюстері арқылы үшінші рет өтуге мүмкіндік берді. Ғылыми құралдарды жұмыс істеуге жеткілікті қуат болмай, ғарыш аппаратының РТГ-сінен (радиоизотоптық термоэлектрлік генераторы) шығатын қуат жеткіліксіз болғандықтан, құралдардың қуатын бөлісу жүйесі іске қосылды. Осыған дейін ең маңызды құралдар үнемі қосылып тұрса, қалғандары өшіріліп қойылған болатын. Зонд Күнге жақындағанда қуатты көп жұмсайтын жылытқыштары өшіріліп, барлық құралдар іске қосылды. 2008 жылдың 22 ақпанында, ғарыш кемесінің ұшырылғанына 17 жыл 4 ай болған соң, ЕКА мен НАСА «Улисс» миссиясының операциялары бірнеше айдың ішінде тоқтатылатынын хабарлады. 2008 жылдың 12 сәуірінде НАСА миссияның соңғы күні 2008 жылдың 1 шілдесі болатынын мәлімдеді. Ғарыш кемесі жобаланған қызмет мерзімінен төрт есе артық уақыт бойы сәтті жұмыс істеді. 2008 жылдың 15 қаңтарында X-диапазонының соңғы жұмыс істейтін тізбегінің бір бөлігі істен шықты. X-диапазонының басқа тізбегі 2003 жылы бұрын-ақ істен шыққан еді. Жермен байланыс S-диапазоны арқылы қайта жаңартылды, бірақ S-диапазонындағы жоғары күшейткіш антеннаның сәулесі X-диапазонындағыдай тар болмағандықтан, алынған сигнал әлдеқайда әлсіз болды, нәтижесінде деректерді беру жылдамдығы төмендеді. Ғарыш кемесі Юпитер орбитасына қарай жол тартқанда, сигнал Deep Space Network-тің ең үлкен антенналарының (диаметрі 70 метр, 229,7 фут) қабылдау қабілетінен асып түсуі мүмкін еді. Сигнал қашықтықтан жоғалғанға дейін, ғарыш кемесіндегі гидразин отынының қатып қалуы мүмкін деп есептелді, себебі радиоизотоптық термоэлектрлік генераторлар (РТГ) жылытқыштарды қыздыру үшін жеткілікті қуат өндіре алмады. Гидразин қатып қалғаннан кейін, ғарыш кемесі жоғары күшейткіш антеннасын Жерге бағыттап, маневр жасай алмайтын болар еді, содан кейін сигнал бірнеше күннің ішінде жоғалып кетер еді. X-диапазонының байланыс жүйесінің істен шығуы осы процесті жеделдетті, себебі отын құбырларының ең суық бөлігі X-диапазонының толқындық құбыр күшейткіштерінің үстінен өтетін еді, олар жұмыс істеген кезде қозғалтқыш құбырларын жылы ұстауға жеткілікті жылу шығаратын. Бұрын хабарланған миссияның аяқталу күні 1 шілде 2008 жыл болды, бірақ миссияның жұмысы азая түскенмен жалғасты. Ғылыми деректерді жинау мүмкіндігі «Улисс» жердегі станциямен байланыста болған кезде ғана шектелді, себебі нашарлаған S-диапазонының байланыс маржасы бір уақытта нақты уақыт деректерін және магнитофоннан ойнатуды қолдауға қабілетсіз болды. Ғарыш кемесі жердегі станциямен байланыста болмағанда, S-диапазонының таратушысы өшіріліп, қуат ішкі жылытқыштарға бағытталды, гидразиннің жылынуына көмектеседі. 2009 жылдың 30 маусымында жердегі операторлар төмен күшейткіш антенналарға ауысу командасын жіберді. Бұл ғарыш кемесімен байланысты тоқтатты, сонымен қатар оның таратушысын толығымен өшіру туралы бұрынғы командалармен бірге.