Введение

Миссия НАСА по изучению астероидов главного пояса с помощью роботизированного зонда (2007–2018): масса запуска = , сухая масса = , орбитальная привязка = Церера, орбитальный режим = высокоэллиптический, большая полуось орбиты = , расстояние = , дата старта = 5 сентября 2012 года, 06:26 UTC. Зонд вышел на орбиту вокруг Цереры 6 марта 2015 года. В 2017 году НАСА объявило о продлении запланированной девятилетней миссии до исчерпания запасов топлива гидразина. 1 ноября 2018 года НАСА объявило об исчерпании гидразина на зонде Dawn и завершении миссии. Недействующий зонд остаётся на стабильной орбите вокруг Цереры. Dawn – первый космический аппарат, вышедший на орбиту вокруг двух внеземных тел, первый космический аппарат, посетивший Весту или Цереру, и первый, совершивший орбитальный полёт вокруг карликовой планеты. Управлением миссией Dawn осуществлялась Лаборатория реактивного движения НАСА, при участии европейских партнёров из Италии, Германии, Франции и Нидерландов, предоставивших компоненты для космического аппарата. Это была первая исследовательская миссия НАСА, использовавшая ионную тягу, что позволило зонду войти и покинуть орбиты двух небесных тел. Предыдущие многоцелевые миссии, использующие ракеты с химическими двигателями, такие как программа Voyager, ограничивались гравитационными манёврами.

Технологическая основа

Первый рабочий ионный двигатель в США был построен Гарольдом Р. Кауфманом в 1959 году в Исследовательском центре Гленна NASA в Огайо. Двигатель был аналогичен общей конструкции решетчатого электростатического ионного двигателя, использующего ртуть в качестве рабочего тела. В 1960-х годах последовали суборбитальные испытания двигателя, а в 1964 году двигатель был испытан в суборбитальном полете на борту аппарата Space Electric Rocket Test 1 (SERT 1). Он успешно проработал в течение запланированных 31 минуты, после чего вернулся на Землю. За этим испытанием последовал орбитальный тест SERT 2 в 1970 году. Deep Space 1 (DS1), запущенный NASA в 1998 году, продемонстрировал длительное использование ионного двигателя, работающего на ксеноне, в научной миссии и подтвердил ряд технологий, включая электростатический ионный двигатель NSTAR, а также выполнение пролета мимо астероида и кометы. Помимо ионного двигателя, к числу технологий, проверенных в ходе миссии DS1, относился малогабаритный глубококосмический транспондер, который используется на аппарате Dawn для дальней связи. В декабре 2001 года NASA выбрало миссии Kepler и Dawn для программы Discovery. Обе миссии были первоначально отобраны для запуска в 2006 году, а затем их реализация была возобновлена в феврале 2004 года. В октябре 2005 года работы над Dawn были приостановлены, а в январе 2006 года в прессе появилась информация о «бессрочной отсрочке» миссии, хотя NASA не делало никаких новых заявлений относительно её статуса. 2 марта 2006 года NASA вновь отменила миссию Dawn. Производитель космического аппарата, Orbital Sciences Corporation, обжаловала решение NASA, предложив построить аппарат по себестоимости, отказавшись от прибыли ради получения опыта работы в новой области. NASA пересмотрела решение об отмене, и 27 марта 2006 года было объявлено, что миссия все же состоится. В последнюю неделю сентября 2006 года интеграция научной аппаратуры миссии Dawn была завершена и достигла полной функциональности. Изначально предполагалось, что проект обойдется в 373 миллиона долларов США, однако из-за увеличения стоимости окончательная стоимость миссии в 2007 году составила 446 миллионов долларов США. Кристофер Т. Расселл был назначен руководителем команды миссии Dawn.

Научная основа

Миссия Dawn была разработана для изучения двух крупных тел в поясе астероидов с целью ответить на вопросы о формировании Солнечной системы, а также для проверки работы её ионных двигателей в дальнем космосе. Церера и Веста были выбраны как две контрастные протопланеты: первая, по-видимому, "влажная" (то есть ледяная и холодная), а другая – "сухая" (то есть каменистая), формирование которых было прервано образованием Юпитера. Эти два тела служат мостом в научном понимании между формированием каменистых и ледяных тел Солнечной системы, а также позволяют понять, при каких условиях каменистая планета может содержать воду. Международный астрономический союз (МАС) принял новое определение планеты 24 августа 2006 года, введя термин "карликовая планета" для эллипсоидальных миров, недостаточно крупных для получения статуса планеты из-за неспособности "очистить свою орбитальную окрестность" от другого орбитального вещества. Dawn – первая миссия по изучению карликовой планеты, прибывшая к Церере за несколько месяцев до прибытия зонда New Horizons к Плутону в июле 2015 года. Церера составляет треть от общей массы пояса астероидов. Её спектральные характеристики указывают на состав, схожий с составом углеродистого хондрита, богатого водой. Веста, меньший ахондритовый астероид, бедный водой и составляющий десятую часть массы пояса астероидов, испытала значительный нагрев и дифференциацию. На ней обнаружены признаки металлического ядра, плотность, близкая к марсианской, и луноподобные базальтовые потоки. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что оба тела сформировались на ранних этапах истории Солнечной системы, сохранив записи событий и процессов, происходивших во время формирования земных планет. Радионуклидное датирование фрагментов метеоритов, предположительно происходящих от Весты, указывает на то, что Веста дифференцировалась быстро – в течение трёх миллионов лет или меньше. Исследования тепловой эволюции предполагают, что Церера сформировалась позднее, более чем через три миллиона лет после образования CAI (древнейших известных объектов солнечного происхождения). Её сплюснутость кажется слишком малой для недифференцированного тела, что указывает на наличие каменистого ядра, покрытого ледяной мантией, что даёт представление о геологической истории и структуре Весты. Считается, что Веста состоит из металлического железно-никелевого ядра, над которым располагаются скалистая оливиновая мантия и кора.

Цели

Целью миссии "Рассвет" было описание условий и процессов раннего эона Солнечной системы путем детального исследования двух крупнейших протопланет, которые остались нетронутыми с момента их образования. Хотя миссия завершилась, анализ данных и интерпретация будут продолжаться еще много лет. Основной вопрос, который решает миссия, - это роль размера и воды в определении эволюции планет. Прибор сцепления заряда с передачей кадра (CCD), Thomson TH7888A, видимый и инфракрасный спектрометр (VIR) Этот инструмент является модификацией видимого и инфракрасного спектратора тепловой визуализации, используемого на космических аппаратах Rosetta и Venus Express. Он черпает свое наследие из орбитального спутника Сатурна Кассинис видимого и инфракрасного картографического спектрометра. Спектрометры VIR имеют спектральные рамки 256 (пространственные) × 432 (спектральные), а длина щели составляет 64 мрад. Картографический спектрометр включает в себя два канала, оба питаются одной решеткой. CCD дает кадры от 0,25 до 1,0 мкм, в то время как массив фотодиодов HgCdTe охлажденных до около 70 К охватывает спектр от 0,95 до 5,0 мкм. Детектор гамма-лучей и нейтронов (GRaND) Этот инструмент основан на аналогичных приборах, используемых в космических миссиях Lunar Prospector и Mars Odyssey. Он имел 21 датчик с очень широким полем обзора. Для этой миссии были рассмотрены магнитометр и лазерный альтиметр, но в конечном итоге они не были использованы.

Размеры

С солнечными батареями в сложенном положении запуска космический аппарат "Рассвет" имеет значительную ширину. С полностью развернутыми солнечными массивами, "Рассвет" становится еще шире. Общая площадь солнечных массивов составляет [insert value]. Основная антенна имеет диаметр 1,24 метра. Ионные двигатели использовались поочередно. Они имеют удельный импульс 3100 с и создают тягу 90 мН. Весь космический аппарат, включая ионные двигатели, питался от 10 кВт (на расстоянии 1 а.е.) тройного перехода фотоэлектрической солнечной батареи из арсенида галлия, изготовленной компанией Dutch Space. Для сближения с Вестой аппарату "Рассвет" было выделено [insert value] ксенона, а для достижения Цереры – еще [insert value], при общей емкости бортового топлива в [insert value]. Благодаря запасу топлива, "Рассвет" смог изменить скорость примерно на 11 км/с за время своей миссии, что значительно превышает показатели всех предыдущих космических аппаратов, достигших подобного изменения скорости с использованием бортового топлива после отделения от ракеты-носителя. Космический аппарат также оснащен двенадцатью гидразиновыми двигателями тягой 0,9 Н для управления ориентацией, которые также использовались для помощи при выходе на орбиту. Космический аппарат "Рассвет" достиг рекордного уровня эффективности работы своего ионного двигателя. NASA выделил три ключевых достижения:
Первый – выход на орбиту двух различных астрономических тел (не считая Землю). Рекорд в области солнечной электроракетной двигательной установки, включая изменение скорости в космосе на 25 700 миль в час (11,49 км/с). Это в 2,7 раза превышает предыдущий рекорд изменения скорости, достигнутый с помощью солнечного электрического ионного двигателя. К 7 сентября 2018 года было достигнуто 5,9 лет непрерывной работы ионного двигателя. Это время составляет 54% от общего времени пребывания "Рассвета" в космосе.

Микрочип для помощи

У Dawn есть чип памяти, на котором написаны имена более 360 000 космонавтов. Имена были представлены в Интернете в рамках усилий по информированию общественности в период с сентября 2005 года по 4 ноября 2006 года. Микрочип, диаметром 2 сантиметра, был установлен 17 мая 2007 года над передним ионным двигателем космического аппарата, под его высокоусиливающей антенной. Было сделано более одного микрочипа, а резервная копия была выставлена на выставке в 2007 году на мероприятии "Дом открытый" в Лаборатории реактивного движения в Пасадене, штат Калифорния.

Подготовка к запуску

10 апреля 2007 года космический аппарат прибыл в подразделение Astrotech Space Operations, входящее в состав SPACEHAB, Inc., в Титусвилле, штат Флорида, где велась его подготовка к запуску. Изначально запуск был запланирован на 20 июня, но был перенесен на 30 июня из-за задержек в поставках компонентов. Поломка крана на стартовой площадке, используемого для подъема твердотопливных ускорителей, привела к дальнейшей отсрочке запуска на неделю – до 7 июля; ранее, 15 июня, вторая ступень была успешно установлена на место. Инцидент на объекте Astrotech Space Operations, в результате которого одна из солнечных батарей получила незначительные повреждения, не повлиял на дату запуска; однако неблагоприятные погодные условия вынудили перенести запуск на 8 июля. Затем проблемы с наземным слежением отложили запуск на 9 июля, а впоследствии и на 15 июля. После этого планирование запуска было приостановлено, чтобы избежать пересечения с миссией Phoenix к Марсу, успешно стартовавшей 4 августа.

Запуск

Запуск Dawn был перенесен на 26 сентября 2007 года, а затем на 27 сентября из-за неблагоприятных погодных условий, которые задержали заправку второй ступени – той же проблемы, что и при попытке запуска 7 июля. Окно запуска составляло с 07:20 до 07:49 по восточному времени (11:20–11:49 по Гринвичу). Во время последней запланированной выдержки на T-4 минуты в район, где могли упасть отделившиеся ракетные ускорители, вошло судно, нарушив границы зоны отчуждения. После того, как судну было приказано покинуть район, запуск пришлось задержать до окончания периода предотвращения столкновения с Международной космической станцией. В итоге Dawn стартовал с площадки 17B на авиабазе на мысе Канаверал с помощью ракеты-носителя Delta 7925H в 07:34 по восточному времени, достигнув первой космической скорости благодаря твердотопливной третьей ступени со стабилизацией вращением. В дальнейшем управление перешло к ионным двигателям Dawn.

Подход к Весте

По мере приближения "Рассвета" к "Весте" прибор "Фрейминг-камера" получал изображения с последовательно возрастающим разрешением, которые публиковались в интернете и на пресс-конференциях NASA и MPI. 3 мая 2011 года "Рассвет" получил первое целевое изображение, сделанное с расстояния 1 200 000 км от "Весты", и начал фазу сближения с астероидом. 12 июня скорость "Рассвета" относительно "Весты" была снижена в преддверии выхода на орбиту, запланированного на 34 дня спустя. Выход "Рассвета" на орбиту был запланирован на 05:00 UTC 16 июля после периода работы ионными двигателями. Поскольку антенна была направлена от Земли во время работы двигателей, ученые не смогли немедленно подтвердить, успешно ли был выполнен маневр. Затем космический аппарат должен был изменить ориентацию и запланировано было связаться с центром управления в 06:30 UTC 17 июля. Позже NASA подтвердило получение телеметрических данных от "Рассвета", указывающих на успешный выход космического аппарата на орбиту вокруг "Весты", что сделало его первым аппаратом, вышедшим на орбиту вокруг объекта в поясе астероидов. Точное время выхода на орбиту не могло быть подтверждено, поскольку оно зависело от распределения массы "Весты", которое было известно лишь приблизительно и в то время основывалось только на оценках.

Орбита Весты

После того, как 16 июля 2011 года "Рассвет" попал в гравитационное поле Весты и вошел на её орбиту, он переместился на более низкую орбиту, используя свой ксеноновый ионный двигатель, работающий на солнечной энергии. 2 августа он приостановил спиральное сближение, чтобы выйти на 69-часовую обзорную орбиту на высоте около 100 км. 27 сентября аппарат перешел на 12,3-часовую орбиту для картографирования с большой высоты, а 8 декабря – на 4,3-часовую орбиту для картографирования с малой высоты. В мае 2012 года команда "Рассвета" опубликовала предварительные результаты исследования Весты, включая оценки размера металлического ядра Весты, которое, по оценкам, имеет диаметр около км. Ученые заявили, что считают Весту "последней в своем роде" – единственным сохранившимся примером крупных планетоидов, из которых формировались каменистые планеты в процессе образования Солнечной системы. В октябре 2012 года были опубликованы дополнительные результаты миссии "Рассвет", касающиеся происхождения аномальных темных пятен и полос на поверхности Весты, которые, вероятно, образовались в результате древних астероидных ударов. В декабре 2012 года было сообщено, что "Рассвет" обнаружил овраги на поверхности Весты, которые, предположительно, были сформированы кратковременными потоками жидкой воды. Более подробная информация о научных открытиях миссии "Рассвет" на Весте представлена на странице, посвященной Весте. Изначально планировалось, что "Рассвет" покинет Весту и начнет двух с половиной летнее путешествие к Церере 26 августа 2012 года. Геологическая карта Весты, составленная на основе данных, полученных аппаратом "Рассвет": самые древние и сильно кратерированные области изображены коричневым цветом; области, измененные ударами, приведшими к образованию Венении и Реасильвии, – фиолетовым (формация Сатурналия Фосса, на севере) и светло-циановым (формация Дивалия Фосса, в экваториальной области); области, подвергшиеся воздействию более поздних ударов или массовой эрозии, – желтым/оранжевым или зеленым цветом, соответственно.

Орбита Цереры

+ Картографирование орбит и разрешение – Фотографии Цереры Dawn на Commons. Орбитальная фаза №. Даты Высота (км; мили) Орбитальный период Разрешение (км/пиксель) Улучшение по сравнению с Hubble Примечания RC3 1 23 апреля – 9 мая 2015 15 дней 1.3 24× Обзор 2 6–30 июня 2015 3.1 дня 0.41 73× HAMO 3 17 августа – 23 октября 2015 19 часов 0.14 (140 м) 217× LAMO/XMO1 4 16 декабря 2015 – 2 сентября 2016 5.5 часов 0.035 (35 м) 850× XMO2 5 5 октября – 4 ноября 2016 19 часов 0.14 (140 м) 217× XMO3 6 5 декабря 2016 – 22 февраля 2017 ≈8 дней 0.9 (оценка) 34× (оценка) XMO4 7 22 апреля – 22 июня 2017 ≈29 дней XMO5 8 30 июня 2017 – 16 апреля 2018 30 дней XMO6 9 14–31 мая 2018 37 часов XMO7 (ФИНАЛ) 10 6 июня 2018 – настоящее время 27.2 часа

Dawn вошла на орбиту Цереры 6 марта 2015 года, за четыре месяца до прибытия New Horizons к Плутону. Таким образом, Dawn стала первой миссией, изучавшей карликовую планету с близкого расстояния. Изначально Dawn вошла на полярную орбиту вокруг Цереры и продолжала уточнять свою орбиту. В этот период был получен первый полный топографический атлас Цереры. С 23 апреля по 9 мая 2015 года Dawn перешла на орбиту RC3 (Rotation Characterization 3) на высоте. Орбита RC3 длилась 15 дней, в течение которых Dawn попеременно осуществлял фотосъемку и измерения датчиков, а затем передавал полученные данные на Землю. 9 мая 2015 года Dawn включил свои ионные двигатели и начал месячный спиральный спуск к своей второй точке картографирования – орбите Survey, расположенной в три раза ближе к Церере, чем предыдущая орбита. Во время спирального спуска на новую орбиту космический аппарат дважды останавливался для получения изображений Цереры. 6 июня 2015 года Dawn вышел на новую орбиту Survey на высоте. На новой орбите Survey Dawn обращался вокруг Цереры каждые три земных дня. Фаза обследования длилась 22 дня (7 орбит) и была разработана для получения общего обзора Цереры с помощью камеры Dawn и создания подробных глобальных карт с помощью видимого и инфракрасного картографического спектрометра (VIR). 30 июня 2015 года Dawn столкнулся с программным сбоем из-за аномалии в системе ориентации. В ответ на это аппарат перешел в безопасный режим и отправил сигнал инженерам, которые устранили ошибку 2 июля 2015 года. Инженеры установили, что причиной аномалии является механическая система карданного подвеса, связанная с одним из ионных двигателей Dawn. После переключения на другой ионный двигатель и проведения испытаний с 14 по 16 июля 2015 года инженеры подтвердили возможность продолжения миссии. 17 августа 2015 года Dawn вышел на орбиту HAMO (High Altitude Mapping Orbit). В августе 2015 года началась двухмесячная фаза HAMO на высоте. В течение этого периода Dawn продолжил получать почти глобальные карты с помощью VIR и камеры кадрирования с более высоким разрешением, чем на фазе обследования. Также была выполнена стереосъемка для получения трехмерного изображения поверхности. 23 октября 2015 года Dawn начал двухмесячный спиральный спуск к Церере для достижения орбиты LAMO (Low Altitude Mapping Orbit) на расстоянии. С момента выхода на четвертую орбиту в декабре 2015 года Dawn планировалось собирать данные в течение следующих трех месяцев с помощью гамма- и нейтронного детектора (GRaND) и других инструментов для определения состава поверхности. Превзойдя свои цели картографирования, Dawn поднялся на пятую научную орбиту, начиная с 2 сентября 2016 года, для выполнения дополнительных наблюдений под другим углом. Dawn начал подъем на свою шестую научную орбиту 4 ноября 2016 года с целью достижения ее к декабрю 2016 года. Возвращение на более высокую высоту позволило получить второй набор данных на этой высоте, что повышает общее качество научных данных при добавлении к первой партии. Однако на этот раз космический аппарат был размещен таким образом, чтобы не двигаться по спирали, а вращаться вокруг Цереры в том же направлении, что и сама планета, что снизило расход топлива.

Заключение миссии

Был предложен пролёт мимо астероида 2 Паллас после завершения миссии к Церере, но он так и не был официально рассмотрен; выход на орбиту Палласа был бы невозможен для аппарата Dawn из-за большого наклона орбиты Палласа относительно орбиты Цереры. В апреле 2016 года команда проекта Dawn представила в NASA предложение о продлении миссии, в рамках которого аппарат должен был покинуть орбиту Цереры и совершить пролёт мимо астероида 145 Адеона в мае 2019 года, аргументируя это тем, что научные данные, полученные при посещении третьего астероида, могли бы оказаться более ценными, чем продолжение работы на Церере. Продление миссии на один год было одобрено, однако экспертная комиссия распорядилась, чтобы Dawn оставался на орбите Цереры, поскольку долгосрочные наблюдения карликовой планеты, особенно вблизи перигелия, могли бы дать более значимые научные результаты. Аппарат был переведён на неконтролируемую, но относительно стабильную орбиту вокруг Цереры, где запас гидразина исчерпался к 31 октября 2018 года.