Кіріспе

2018 жылдың қаңтар айында NASA Explorer бағдарламасының спутнигін әуесқой спутниктік іздеуші Жерге сигналдар жіберіп жатқанын анықтады. NASA ғарыш аппаратымен байланыс орнатып, оның құрамының жай-күйін білуге тырысты, бірақ қазіргі жүйелерге ескі жабдықтар мен бағдарламалық қамтамасыз етуді іздеуге және бейімдеуге тура келді. 2018 жылдың 25 ақпанында IMAGE спутнигімен байланыс үзіліп, 2018 жылдың 4 наурызында қайта орнатылды. Сигнал 2018 жылдың 5 тамызында тағы да жоғалып кетті. Егер қалпына келтіру жұмыстары сәтті аяқталса, NASA миссияны қайта іске қосу үшін қаржыландыру туралы шешім қабылдауы мүмкін.

Шолу

IMAGE – Жердің магнитосферасын бейнелеуге арналған алғашқы ғарыш кемесі. IMAGE – Орта класты Explorer (MIDEX) бағдарламасымен әзірленген ғарыш кемесі. Ол Жердің магнитосферасын бақылауға арналған алғашқы ғарыш кемесі болды, ішкі магнитосферадағы плазманың жан-жақты глобальды суреттерін жасады. IMAGE ғарыш кемесі Жерді × орбитаға орналастырылды, оның еңісі 90,01° (полюстер арқылы өтетін) және 14,2 сағаттық айналым периоды болды. Адам көзіне көрінбейтін толқын ұзындығындағы суреттерді 2 минут сайын алып, ол күннің желдің магнитосферамен өзара әрекеттесуін және магниттік дауыл кезінде магнитосфераның реакциясын егжей-тегжейлі зерттеуге мүмкіндік берді. Алыс орбитадан ғарыш кемесі бұрын көрінбейтін ішкі магнитосфераның көптеген суреттерін жасады, ғылыми мақсаттарын толығымен орындады. 2005 жылы, жоғалуына аз уақыт қалғанда өткізілген жоғары деңгейдегі сараптама миссияны «өте өнімді» деп сипаттады, бірнеше теориялық болжамдарды растады (мысалы, плазмасфера қауырсындары, түн ортасына дейінгі сақина тогының инъекциясы және үздіксіз антипараллельді қайта байланыс), көптеген жаңа және күтпеген құбылыстарды ашты (мысалы, плазмасфера иықтары, субауральді протон доғалары және екінші жұлдызаралық бейтарап атом ағыны), километрлік үздіксіз сәулеленудің бастапқы аймағына, ионосферадағы күн желдің қысым импульстерінің рөліне және субтормалар кезінде протон және электрон полярлары арасындағы байланысқа қатысты көптеген сұрақтарға жауап берді. 2005 жылдың желтоқсан айында ғарыш кемесі байланыссыз қалған кезде, миссияны 2010 жылға дейін ұзартуға келісім берілген еді.

Қиын ультрафиолетті бейнелеу аппараты (FUV)

IMAGE спутниктік құралдар жиынтығына үш алыс ультракөк сәуле (FUV) құралы кіреді. 120-190 нм толқын ұзындығы диапазонында төмен бағытталған полярлық шоғыр бейнелегіш, күн сәулесімен, бұлттар мен жерден шашыраған сәулелермен минималды түрде ғана ластанады, ал надирлік геометрияда байқалатын полярлық шоғырдың сәулесін жоғары ендіктегі күн сәулесінің болуымен байқауға болады. Кең жолақты бейнелеу камерасы (WIC) полярлық шоғырдың LBH N2 жолақтарын бейнелеу арқылы максималды кеңістіктік және уақыттық ажыратымдылықпен кең жолақты ультракөк сәулелердің суреттерін береді. Монохроматты бейнелеу құралы (SI) толқын ұзындығы бойынша сүзгіленген полярлық шоғырдың әртүрлі түрлерін бейнелейді. Доплер эффектісіне ие Лайман-альфа сәулесін өлшеу арқылы, протонмен шақырылған полярлық шоғырдың компонентін бөлек бейнелеуге болады. Сонымен қатар, GEO құралы магнитосферадағы заряд алмасу үшін бейтарап фондық тығыздық көзінің көрсеткіші болып табылатын геокороналық эмиссияның таралуын бақылайды. FUV құралдар жиынтығы айналмалы IMAGE спутнигінен радиалды бағытта сыртқа қарайды, сондықтан әрбір айналымда (120 секундтық кезең) полярлық шоғырды және Жерді бақылауға аз уақыт жұмсайды. WIC, SI, GEO және олардың жеке өнімділік растамаларының толық сипаттамаларын Space Science Reviews журналының 2000 жылғы қаңтар санынан табуға болады. FUV құралдарының басты талаптарының бірі – фотондарды жинау тиімділігін арттыру және экспозицияға арналған қысқа уақытты тиімді пайдалану. FUV полярлық шоғыр бейнелеуші WIC және SI камераларының екеуі де кең көру бұрышына ие және полярлық шоғыр аймағы көру бұрышынан өтетін кезде үздіксіз деректерді жинайды. Деректер көлемін азайту үшін бірнеше сурет түсіріліп, әр суретті ғарыш аппаратының айналуын өтеу үшін сәйкес түрде жылдыру арқылы электронды түрде біріктіріледі. Ажыратымдылықтың жоғалуын азайту үшін WIC және SI үшін біріктіруден бұрын суреттер нақты уақытта бұрмалаудан түзетілуі керек. Бұрмалауды түзету орбиталық процессордың полиномдық функцияларға ең кіші квадрат әдісімен алдын ала жасалған жоғары жылдамдықты іздеу кестелерін пайдалану арқылы жүзеге асырылады. Құралдар жеке-жеке калибрленді, көбінесе вакуумдік камералардағы тұрақты платформаларда, бұл туралы қоса берілген мақалаларда сипатталған. Олардың орбитадағы өнімділігін бағалау үшін айналмалы платформаға орнатылған көру және жақын ультракөк сәуле симуляторларымен кең ауқымды жердегі сынақтар жүргізілді.

Жоғары энергиялы бейтарап атомды бейнелеу (HENA)

IMAGE-дегі жоғары энергиялы бейтарап атом (HENA) бейнелеуіші, Жердің магнитосфералық ортасын бейтарап атомдық бейнелеу арқылы зерттеуге арналған үш құралдың бірі болып табылады. HENA құралы 10-500 кэВ энергия диапазонындағы ENA-лардың жылдамдығын, траекториясын, энергиясын және массасын анықтайды, содан кейін осы деректерден ішкі магнитосферадағы ENA көздерінің суреттерін жасайды. HENA-ның екі негізгі бөлігі – сенсор және негізгі электроника блогы (MEU). HENA сенсоры кіреберіс тілімінің алдында желдеткіш тәрізді орналасқан, кезекпен зарядталатын бұрылу пластиналарынан, үш микроарналы пластина детекторынан (MCP), қатты күйдегі детекторынан (SSD), екі көміртекті кремний полиимид фольгасынан (біреуі кіреберіс тілімінде, екіншісі артқы MCP-нің алдында) және фольгалардан (немесе SSD) шығарылған екінші электронды басқаруға арналған сымдар мен электродтардан тұрады. MCP және бұрылу пластиналарына, сондай-ақ екінші электронды басқаруға қуатты сенсормен бірге орналасқан жоғары кернеулі қуат көздері арқылы қуат беріледі. MEU құрамында HENA-ның деректерді өңдеу блогы (DPU), аналогтық электроника (сенсордан келетін сигналдарды күшейтеді және өңдейді, сондай-ақ жүйелік бақылауды жүзеге асырады), аналогтық-цифрлық түрлендіргіштер және төмен кернеулі қуат көзі бар. HENA, ENA-ның жылдамдығын оның ұшу уақытын (ToF) және сенсор арқылы траекториясын өлшеу арқылы анықтайды (кіреберіс тілімінен артқы фольгаға және екі өлшемді бейнелеу MCP детекторына немесе SSD-ге дейін). Бұл MCP, «басталу» MCP, TOF талдауы үшін басталу сигналын береді және ENA-ның кіреберіс тіліміне енген орнын тіркейді. ENA сенсор арқылы артқы жазықтыққа дейін жалғасады және 2D бейнелеу MCP немесе SSD алдындағы фольгаға соқтығысады. Бірінші жағдайда, артқы фольгадан шығарылған екінші электронды 2D бейнелеу MCP-де тоқтату импульсін тудырады, ол сонымен қатар келіп түскен ENA-ның орнын тіркейді. Егер ENA SSD-ге соқтығысса, соққыдан шығарылған екінші электронды «сәйкестік» MCP-ге бағытталады, ол TOF тоқтату сигналын береді; соққының орны SSD арқылы тіркеледі. Басталу және тоқтату сигналдары MEU-дағы аналогтық ToF электроникасымен өңделеді және DPU-ға енгізу үшін цифрлық түрге келтіріледі. Басталу және тоқтату импульстері ENA-ның ұшу уақытын көрсетеді, ал орналасу өлшемдері оның траекториясын және сенсордағы жол ұзындығын анықтайды. Осы екі мәлімет – ұшу уақыты және жол ұзындығы – арқылы HENA ENA-ның жылдамдығын есептей алады. Келіп түскен ENA-ның энергиясы SSD арқылы өлшенеді. ENA SSD-ге тигенде, ток импульсін тудырады. Бұл импульстің амплитудасы (импульстің биіктігі) ENA-ның SSD кристаллына жеткізген энергия мөлшерімен тікелей пропорционалды. Осылайша, импульстің биіктігін талдау арқылы HENA SSD-ге келіп түскен ENA-ның энергиясын анықтай алады. Ал масса, энергияны жылдамдық квадратына бөлгеннің екі есесіне тең болғандықтан, ENA-ның энергиясы мен жылдамдығы анықталғаннан кейін оның массасын есептеуге болады. ENA-ның құрамын анықтау үшін HENA-ның негізгі әдісі жылдамдық пен SSD энергиясынан массаны есептеу болып табылады. Екінші әдіс, магнитосферада күтілетін екі ең көп таралған бейтарап атом – оттегі мен сутегіні ажырату үшін MCP сигналының импульс биіктігін пайдаланады.

Төмен энергиялы нейтральды атомды бейнелеу (LENA)

IMAGE-дегі төмен энергиялы бейтарап атом (LENA) бейнелеуіші – бейтарап атомдық бейнелеуді пайдалана отырып, Жердің магнитосфералық ортасын бақылауға арналған үш құралдың бірі. LENA-ның мақсаттары: (1) электрондардың, иондардың немесе ультракөк сәулелердің бұрмалауына ұшырамастан бейтарап бөлшектерді өлшеу; (2) бейтарап протондарды оттегіден ажырату; (3) жергілікті уақыттың кең диапазонында бес минуттық аралықта иондық шығынды анықтау; және (4) жоғары есептеу статистикасымен 10 эВ-қа дейінгі энергияны өлшеу. LENA құралы коллиматордан, түрлендіру блогынан, жинақтау линзасынан, дисперсиялық энергия талдағышынан және позицияға сезімтал бөлшектерді анықтаумен ұшу уақыты масса талдағышынан тұрады. Бейтарап бөлшектер зарядталған бөлшектерді сүзгіден өткізетін коллиматор арқылы құралға кіреді. LENA нейтралды бөлшектерді вольфрам бетінен жарық шағылысуы арқылы теріс иондарға түрлендіреді. Беттен алынған теріс иондар содан кейін бірдей энергияға ие барлық теріс иондарды белгілі бір нүктеге шоғырландыратын жинақтау линзасымен жиналады. Жинақтау линзасында иондар электростатикалық анализаторға кірмес бұрын 20 кВ жылдамдықпен үдетіледі. Соңында, иондар иондық массасы, энергиясы және бұрышы анықталатын ұшу уақыты/позицияны сезіну бөліміне өтеді.

Орташа энергиялы бейтарап атомды бейнелеу аппараты (MENA)

IMAGE-дегі Орташа энергиялы бейтарап атом (MENA) бейнелеуіші – бейтарап атомдық бейнелеуді пайдалана отырып, Жердің магнитосфералық ортасын бақылауға арналған үш құралдың бірі. MENA – 1-ден 30 кВ-қа дейінгі энергиясы бар энергетикалық бейтарап сутек және оттегі атомдарын анықтауға арналған тілік типті бейнелеу құрылғысы. Құрал келіп түскен ENA-лардың ұшу уақытын және түсу бұрышын анықтайды. Осы бастапқы деректерден олардың траекториясын және жылдамдығын есептеп, олар шығарылған магнитосфералық аймақтардың бейнелерін жасайды. Бейнелеу құрылғысы DPU-ға орнатылған үш бірдей сенсорлық бастан тұрады. Үш сенсорлық бас DPU-ның үстіне қатар орнатылған. Ортаңғы сенсор айналу осьі жазықтығында 107° көру бұрышымен тікелей алға қарай бағытталған. Екі жақтанғы сенсорлардың бағыттары ортаңғы сенсордан 20°-қа ауытқыған. Бұл 20° ауытқу әр детектордың ортасындағы 20° соқыр аймақты өтеуге арналған. Айналу осьі жазықтығындағы жалпы көру бұрышы 147° құрайды. MENA DPU 4,91 МГц жиілікте жұмыс істейтін 16 биттік Harris RTX2010 микробасқарушысынан, шикі деректерді өңдеуге арналған іздеу кестелерінен, төмен вольтты қуат көзінен, жоғары вольтты контроллерден және әр үш сенсор үшін ұшу уақытын және импульс биіктігін өлшейтін электрониканың алдыңғы бөлігінен, сондай-ақ жоғары вольтты қуат көздерінен тұрады. DPU сенсорлық бастармен және Орталық аспаптық деректерді өңдеушімен (CIDP) байланысады. Ол құралдың денсаулығы мен қауіпсіздігін бақылайды, әр екі минут сайын (яғни ғарыш кемесінің бір айналымында) бастапқы сенсорлық деректерді қабылдап өңдейді және бір бейне шығарады. Бұл бейне, сондай-ақ шикі сенсорлық деректердің, оқиғалардың жиілігі туралы деректердің және жүйелік деректердің таңдамалы бөлігі CIDP-ге Жерге жіберілу үшін беріледі.

Радиоплазмалық бейнелеу (RPI)

Радиоплазмалық бейнелеу құралы (РПИ) Жердің магнит өрісінің дерлік барлық көлемін "тексеру" үшін радио толқындарының импульстарын пайдаланды. Антеннасының екі ұшы біріктірілген конструкциясымен, ол ғарышқа ұшырылған ең ірі сенсорлардың бірі болып табылады. Полиция радарын еске түсіретіндей, РПИ-дің 10 ватттық трансляторы радио толқындарының бір шуағын жіберді, ол плазмасфераның сыртқы шекарасы мен күн желдің Жердің магнит өрісіне тигізетін шекараға дейінгі зарядталған бөлшектердің бұлттарынан шағылысты. РПИ "радары" 3 килогерцтен (секундына цикл) 3 мегагерцке дейінгі спектрді сканерлейді, бұл AM радио диапазонының барлық жиілігін және одан да жоғарыны қамтиды. Әр бес минут сайын қайтарылған радиосигналдардан алыстағы плазма бұлттарының бағыты, жылдамдығы және тығыздығы туралы ақпаратты қамтитын бейне құрастырылды. Құралды Массачусетс университетінің Лоуэлл қаласындағы Доктор Бодо Рейниш басқарған команда жасады. Орталық құралдық деректерді өңдеуші (CIDP) барлық бейнелеу құралдарынан ғылыми деректерді қабылдау, қысу, сақтау және телеметриялық форматтауды қамтамасыз етті, бейнелеу құралдарына командаларды бағыттап, ғарыш кемесі жүйелерімен байланысты. CIDP-ны SwRI әзірледі. Келесі күндер мен апталарда трансляторды қайта орнату, антеннаны ауыстыру және ғарыш кемесімен байланыс орнатуға тырысу үшін командалар "көрінбейтін" түрде жіберілді, бірақ ешқандай сигнал (жақсырақ толқын да) алынбады. Қайта жаңғырту жұмыстарына NASA Deep Space Network (NASA DSN) антенналарын пайдалану, NASA DSN-де жүйелік қате болған жағдайда NASA-ға тиесілі емес жер станцияларын пайдалану, 72 сағаттық күзеткіш таймерді іске қосу үшін бірнеше күн бойы командалар жібермеу, антеннаның дұрыс бағытталмаған жағдайында трансляция қуатын арттыру және ғарыш кемесінің сынықтарын, айналу жылдамдығының өзгеруін немесе соқтығысуды немесе басқа да зақымдануды көрсететін орбитадағы өзгерістерді тексеру үшін оптикалық және радарлық бақылаулар кірді. Сондай-ақ, ғарыш кемесіне айналу жылдамдығын сәл арттырып, жылытқыштарын асимметриялық түрде қосуға бұйрық берілді. Егер байқалса, бұл оның командаларды қабылдай алатынын, бірақ жібермейтінін білдіретін болар еді. Ешқандай өзгеріс байқалмады және кейінірек жасалған талдаулар температураның өзгеруін байқау мүмкін емес екенін көрсетті. Ғарыш кемесінің температурасын бақылап, оның толығымен істен шыққан ба, әлде қауіпсіз режимде күтілетін қуатты тұтынып жатыр ма, анықтауға жасалған әрекеттер нәтиже бермеді. Мұқият ақаулық талдауы көрсеткендей, байланыстың екі бағыттағы кенеттен үзілуіне ықтимал себептердің бірі – транспондерге арналған қатты күйдегі қуат түрлендіргішінің (SSPC) мүмкіндіктерінің арасында жоғары токқа (100) қысқа тұйықталған жағдайда "жедел өшіру" функциясы болған. Маңыздысы, мұндай өшіру қуат көзінің телеметриялық шығысында көрсетілмеген және бұл кемшілік құжатталмаған. Құжатталмағандықтан, ғарыш кемесінің аппараттық және бағдарламалық жасақтамасында SSPC жақсы жағдайда болса, оны қайта орнатуға тырысуға ешқандай ереже болмады. 2007 жылдың қазан айында ғарыш кемесі Жердің көлеңкесінен өткен кезде пайда болатын кернеудің төмендеуі, жалпы шинаны қайта орнатуға жеткілікті болады деп үміттенілді, бұл күдікті қуат көзінің қуат айналымын тудырады. Алайда, осы тұтылудан кейін ғарыш кемесімен байланыс орнатуға жасалған әрекеттер сәтті болмады.

Қалпына келтіру шаралары

2018 жылдың 20 қаңтарында канадтық радио әуесқой және спутниктік іздеуші Скотт Тиллей IMAGE спутнигі сигнал тарататынын анықтады және бұл туралы NASA-ға хабарлады. Ол Zuma спутнигін табу ниетімен S диапазонын (микротолқындар) сканерлеп жүрген. 2018 жылдың 24 қаңтарында NASA-ның Ричард Берли NASA DSN желісін пайдалана отырып, спутникпен байланыс орнатуға тырысып жатқанын мәлімдеді. Екі күннен кейін Берли Годдард ғарыш ұшу орталығының инженерлері сигналды сәтті қабылдап алғанын хабарлады және 2018 жылдың 30 қаңтарында IMAGE осы сигналдың көзі екенін растады. Спутниктің қашаннан бері сигнал тарата бастағаны белгісіз, бірақ Тиллей мен оның әріптесі Сис Басса жазған бұрынғы деректерді қайта қарау 2016 жылдың қазаны мен 2017 жылдың мамырында да осы спутниктан сигналдар келгенін көрсетті. Бассаның болжамы бойынша, 2007 жылғы күн тұтылуы спутникті қайта іске қоса алмаса, басқа бір тұтылу 2014 және 2016 жылдар аралығында осы шаруаны атқарған болуы мүмкін. 2018 жылдың 8 ақпанында NASA IMAGE спутнигін қайта жандандыру туралы толыққанды есеп жариялады. Спутник қарапайым телеметриядан өзге де деректерді жіберіп тұрды, яғни оның бортындағы алты құралдың бірнешеуі әлі де жұмыс істеп тұрғанын көрсетті. NASA инженерлері спутниктің жағдайын анықтауға тырысуда, бірақ IMAGE миссиялық басқару орталығында қолданылған бағдарламалық қамтамасыз ету мен аппараттық жабдықтар жойылғандықтан және қазірде қолданыста болмағандықтан, олар ескі бағдарламалық қамтамасыз ету мен деректер базаларын заманауи жүйелерге бейімдеуде және қажетті жабдықтарды іздеуде. 2018 жылдың 25 ақпанында NASA спутникпен байланысты қайтадан жоғалтты, бірақ бұл 2005 жылғы жағдайдан өзгеше болды. IMAGE миссиясының бұрынғы директоры Ричард Берли, IMAGE-дің орташа күшейткіш антеннасының орналасуына байланысты спутниктің айналу осінде мәселе болуы мүмкін екенін айтты. Егер NASA ғарыш кемесін қайта басқаруға қол жеткізе алса және деректер мен жердегі жүйелердің жағдайын бағалай алса, миссияны қайта бастауға қаржы бөлуге болатынын шешеді. 2018 жылдың 9 мамырында Скотт Тиллей IMAGE-ден күшті сигналды қайтадан анықтады. Бірнеше сағаттан кейін NASA және APL инженерлері сигналды қабылдап, телеметриялық деректерді алды. IMAGE-ге командалар жіберілді, бірақ белгісіз себептерге байланысты ғарыш кемесі осы командалардың тек бір бөлігін ғана қабылдағанын растады. 2019 жылдың 20 қаңтарында спутниктің қайта табылуына бір жыл толып, 2018 жылдың 5 тамызынан бері байланыс үзілген күйінде қалып отыр. Электрондық құрылғыларды қайта іске қосуға мүмкіндік беретін күн тұтылуларын күтіп, жұмыстар жалғасуда.