Күннің әсері мен Жердің магниттік өрісін зерттеу: Cluster миссиясы

Кіріспе

Еуропалық ғарыш агенттігінің миссиясы

Миссияның жалпы көрінісі

Төрт бірдей II кластер спутниктері Жерді айналып ұшу арқылы Күннің Жердегі белсенділігінің әсерін зерттейді. Ғарыш тарихында алғаш рет бұл миссия күн желiнiң магнитосферамен өзара әрекеттесуі және Жерге жақын кеңістік пен оның атмосферасына, соның ішінде ақшыл сәулелерге әсері туралы үш өлшемді ақпарат жинауға мүмкіндік береді. Ғарыш кемелері цилиндр пішіндес (2,9 х 1,3 м, онлайн 3D модельін қараңыз) және минутына 15 айналыс жылдамдығымен айналады. Ұшырылғаннан кейін олардың күн батареялары құралдар мен байланыс үшін 224 ватт қуат берді. Күн сәулелерiнiң қуаты миссияның жүргізілуімен энергиялы зарядталған бөлшектердің зақымдауы салдарынан біртіндеп азайды, бірақ бұл жоспарланған және қуат деңгейі ғылыми операцияларға жеткілікті болып қалады. Төрт ғарыш кемесі магнитосфераның құрылымы мен шекараларын зерттеу үшін әртүрлі тетраэдрлік формацияларға өтеді. Ғарыш кемелері арасындағы қашықтық өзгертілуі мүмкін және шамамен 4-тен 10 000 км-ге дейін өзгерген. Ғарыш кемесінің операциялық орбитаға көшуіне қажетті жанармай және ғарыш кемелері арасындағы қашықтықты өзгертуге арналған маневрлер ғарыш кемесінің ұшыру салмағының шамамен жартысын құрады. Ғарыш кемесінің өте эллипстік орбиталары бастапқыда 4 RE (Жер радиусы, мұнда 1 RE = 6371 км) перигейіне және 19.6 RE апогейіне жетті. Әрбір орбиталық айналым 57 сағатқа созылды. Орбита уақыт өте келе өзгерді; апсидтер сызығы оңтүстікке қарай бұрылды, сондықтан орбита магнит құйрығының тоқ ағыны жазықтығын кесіп өтетін қашықтық біртіндеп азайды, және күндізгі магнитопаузаны кесіп өтетін кең ауқымды ендіктер зерттелді. Гравитациялық әсерлер перигей (және апогей) қашықтығының ұзақ мерзімді өзгеру циклын тудырды, ол 2011 жылы перигейлердің қайтадан өсуіне дейін 100 км-ге дейін төмендеуін көрсетті. Орбита жазықтығы 90 градусқа тең иілімнен ауытқыды. ESOC жүзеге асырған орбиталық түзетулер орбиталық кезеңді 54 сағатқа дейін өзгертті. Осы өзгерістердің барлығы Cluster миссиясына бастапқы екі жылдық миссияға қарағанда маңызды магнитосфералық аймақтардың әлдеқайда кең жиынтығын зерттеуге мүмкіндік берді, бұл миссияның ғылыми ауқымын кеңейтті. Еуропалық ғарыш операциялары орталығы (ESOC) телеметрияны қабылдайды және ғарыш кемесінен алынған ғылыми деректерді онлайн деректер орталықтарына таратады. Ұлыбританиядағы Резерфорд Апплтон зертханасындағы Бірлескен ғылыми операциялар орталығы (JSOC) ғылыми жоспарлауды үйлестіреді және құралдар командаларымен бірлесіп, ESOC-қа біріктірілген құралдарға басқару сұраныстарын жібереді. Cluster ғылыми мұрағаты – Cluster және Double Star ғылыми миссияларының ЕКА-ның ұзақ мерзімді мұрағаты. 2014 жылдың 1 қарашасынан бастап ол Cluster миссиясының ғылыми деректеріне және оларды қолдауға арналған дерек жиынтықтарына жалғыз ашық қолжетімділік нүктесі болып табылады. Double Star деректері осы мұрағат арқылы жалпыға қолжетімді. Cluster ғылыми мұрағаты Испанияның Мадрид қаласына жақын орналасқан Еуропалық ғарыш астрономия орталығында басқа да ESA ғылыми мұрағаттарымен қатар орналасқан. 2006 жылдың ақпан айынан 2014 жылдың қазан айына дейін Cluster деректеріне Cluster белсенді мұрағаты арқылы қол жеткізуге болады.

The four identical Cluster II satellites study the impact of the Sun's activity on the Earth's space environment by flying in formation around Earth. For the first time in space history, this mission is able to collect three dimensional information on how the solar wind interacts with the magnetosphere and affects near Earth space and its atmosphere, including aurorae. The spacecraft are cylindrical (2.9 x 1.3 m, see online 3D model) and are spinning at 15 rotations per minute. After launch, their solar cells provided 224 watts power for instruments and communications. Solar array power has gradually declined as the mission progressed, due to damage by energetic charged particles, but this was planned for and the power level remains sufficient for science operations. The four spacecraft maneuver into various tetrahedral formations to study the magnetospheric structure and boundaries. The inter spacecraft distances can be altered and has varied from around 4 to 10,000 km. The propellant for the transfer to the operational orbit, and the maneuvers to vary inter spacecraft separation distances made up approximately half of the spacecraft's launch weight. The highly elliptical orbits of the spacecraft initially reached a perigee of around 4 RE (Earth radii, where 1 RE = 6371 km) and an apogee of 19.6 RE. Each orbit took approximately 57 hours to complete. The orbit has evolved over time; the line of apsides has rotated southwards so that the distance at which the orbit crossed the magnetotail current sheet progressively reduced, and a wide range of dayside magnetopause crossing latitudes were sampled. Gravitational effects impose a long term cycle of change in the perigee (and apogee) distance, which saw the perigees reduce to a few 100 km in 2011 before beginning to rise again. The orbit plane has rotated away from 90 degrees inclination. Orbit modifications by ESOC have altered the orbital period to 54 hours. All these changes have allowed Cluster to visit a much wider set of important magnetospheric regions than was possible for the initial 2 year mission, improving the scientific breadth of the mission. The European Space Operations Centre (ESOC) acquires telemetry and distributes to the online data centers the science data from the spacecraft. The Joint Science Operations Centre JSOC at Rutherford Appleton Laboratory in the UK coordinates scientific planning and in collaboration with the instrument teams provides merged instrument commanding requests to ESOC. The Cluster Science Archive is the ESA long term archive of the Cluster and Double Star science missions. Since 1 November 2014, it is the sole public access point to the Cluster mission scientific data and supporting datasets. The Double Star data are publicly available via this archive. The Cluster Science Archive is located alongside all the other ESA science archives at the European Space Astronomy Center, located near Madrid, Spain. From February 2006 to October 2014, the Cluster data could be accessed via the Cluster Active Archive.

Тарих

Кластер миссиясы 1982 жылы ЕКА-ға ұсынылды және 1986 жылы Күн және гелиосфералық обсерваториямен (SOHO) бірге бекітілді. Бұл екі миссия бірге ЕКА-ның "Горизонт 2000" миссиялар бағдарламасының Күн-Жер физикасының "негізгі бағыты"н құрады. Алғашқы Cluster ғарыш кемелері 1995 жылы аяқталғанмен, 1996 жылы спутниктерді тасымалдаған Ariane 5 зымырасының жарылуы миссияны төрт жылға кешіктірді, одан кейін жаңа құралдар мен ғарыш кемелері жасалды. 2000 жылдың 16 шілдесінде Байқоңыр ғарыш айлағынан "Союз Фрегат" зымыраны екі "Кластер II" ғарыш кемесін (Сальса және Самба) орбитаға шығарды. Олар өз күштерімен 19 000 x 119 000 км орбитаға, 57 сағаттық айналым периодымен маневр жасады. Үш аптадан кейін, 2000 жылдың 9 тамызында, тағы бір "Союз Фрегат" зымырасы қалған екі ғарыш кемесін (Румба және Танго) ұқсас орбитаға шығарды. Ғарыш кемесі 1, Румба, сондай-ақ Феникс ғарыш кемесі деп те аталады, себебі ол негізінен бастапқы миссия сәтсіз аяқталғаннан кейін қалған қосалқы бөлшектерден құрастырылған. Пайдалы жүктеме іске қосылғаннан кейін, алғашқы ғылыми өлшемдер 2001 жылдың 1 ақпанында жасалды. Еуропалық ғарыш агенттігі барлық ЕКА мүше мемлекеттері арасында спутниктерге ат қою бойынша конкурс өткізді. Ұлыбританиядан Рей Коттон Rumba, Tango, Salsa және Samba аттарымен жеңіске жетті. Рейдің тұратын қаласы Бристоль, жеңімпаз болғандығының және қаланың спутниктермен байланысының құрметіне спутниктердің масштабты модельдерімен марапатталды. Бірақ, көп жылдар бойы сақталып келгеннен кейін, олар Ратерфорд Апплтон зертханасында орналасқан жер тапты. Бастапқыда 2003 жылдың соңына дейін жоспарланған миссия бірнеше рет ұзартылды. Бірінші ұзарту 2004 жылдан 2005 жылға дейін, ал екіншісі 2005 жылдан 2009 жылдың маусымына дейін созылды. Қазіргі таңда миссия 2024 жылдың қыркүйегіне дейін ұзартылды, сондай-ақ магнетосфералық физикаға да қатысты. TC 1 Жердің алдыңғы шоғының жанындағы тығыздық шұңқырларын зерттеді, олар шоқтың қалыптасуында рөл атқаруы мүмкін, және бейтарап қабаттың тербелістерін қарастырды.

The Cluster mission was proposed to ESA in 1982 and approved in 1986, along with the Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), and together these two missions constituted the Solar Terrestrial Physics "cornerstone" of ESA's Horizon 2000 missions programme. Though the original Cluster spacecraft were completed in 1995, the explosion of the Ariane 5 rocket carrying the satellites in 1996 delayed the mission by four years while new instruments and spacecraft were built. On July 16, 2000, a Soyuz Fregat rocket from the Baikonur Cosmodrome launched two of the replacement Cluster II spacecraft, (Salsa and Samba) into a parking orbit from where they maneuvered under their own power into a 19,000 by 119,000 kilometre orbit with a period of 57 hours. Three weeks later on August 9, 2000, another Soyuz Fregat rocket lifted the remaining two spacecraft (Rumba and Tango) into similar orbits. Spacecraft 1, Rumba, is also known as the Phoenix spacecraft, since it is largely built from spare parts left over after the failure of the original mission. After commissioning of the payload, the first scientific measurements were made on February 1, 2001. The European Space Agency ran a competition to name the satellites across all of the ESA member states. Ray Cotton, from the United Kingdom, won the competition with the names Rumba, Tango, Salsa and Samba. Ray's town of residence, Bristol, was awarded with scale models of the satellites in recognition of the winning entry, as well as the city's connection with the satellites. However, after many years of being stored away, they were finally given a home at the Rutherford Appleton Laboratory. Originally planned to last until the end of 2003, the mission has been extended several times. The first extension took the mission from 2004 until 2005, and the second from 2005 to June 2009. The mission has now been extended until September 2024. as well as to magnetospheric physics. The TC 1 examined density holes near the Earth's bow shock that can play a role in bow shock formation and looked at neutral sheet oscillations.

Таңдалған жарияланымдар

Кластер және "Дабл Стар" миссияларына қатысты барлық 3721 жарияланым (2023 жылдың 31 наурызындағы мәлімет бойынша) ЕКА-ның Кластер миссиясы веб-сайтының жарияланымдар бөлімінде қолжетімді. Осы жарияланымдардың ішінде 3228-і рецензияланған басылымдар, 342-сі конференция материалдары, 121-і докторлық диссертациялар және 30-ы басқа да түрдегі диссертациялар.