Введение

1990 год – роботизированческий космический зонд; изучал Солнце с близкой полярной орбиты.

«Улисс» (англ. Ulysses, также yooLISSeez, /UK также yooLISseez) – роботизированческий космический зонд, основной задачей которого было облететь Солнце и изучить его на всех широтах. Он был запущен в 1990 году и совершил три «быстрых сканирования широты» Солнца в 1994/1995, 2000/2001 и 2007/2008 годах. Кроме того, зонд исследовал несколько комет. «Улисс» был совместным проектом Европейского космического агентства (ЕКА) и Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA) под руководством ЕКА при участии Национального исследовательского совета Канады. Последний день работы миссии «Улисс» – 30 июня 2009 года. Для изучения Солнца на всех широтах зонду необходимо было изменить наклон своей орбиты и покинуть плоскость Солнечной системы. Для изменения наклона орбиты космического аппарата примерно до 80° требуется значительное изменение гелиоцентрической скорости, энергия для достижения которой превышала возможности любой ракеты-носителя. Чтобы достичь желаемой орбиты вокруг Солнца, разработчики миссии выбрали маневр гравитационного ускорения у Юпитера, однако это сближение с Юпитером исключало возможность использования солнечных батарей для питания зонда. Вместо этого зонд питался от радиоизотопного термоэлектрического генератора общего назначения (GPHS RTG). Первоначально космическому аппарату было дано имя «Одиссей» из-за его сложной и косвенной траектории для изучения солнечных полюсов. По просьбе ЕКА он был переименован в «Улисс» – латинский эквивалент имени «Одиссей» – в честь не только мифологического героя Гомера, но и персонажа Данте в «Божественной комедии». Первоначально запуск «Улисса» планировался на май 1986 года на борту космического шаттла «Челленджер» в рамках миссии STS 61 F. В связи с гибелью «Челленджера» 28 января 1986 года запуск «Улисса» был перенесен на 6 октября 1990 года на борту «Дискавери» (миссия STS 41).

Космический корабль

Космический аппарат был спроектирован ESA и построен компанией Dornier Systems, немецким производителем самолетов. Корпус аппарата имел форму, близкую к коробке, размером примерно . На корпусе были установлены параболическая антенна и источник питания – радиоизотопный термоэлектрический генератор (RTG) GPHS RTG. Корпус был разделен на шумный и тихий отсеки. Шумный отсек примыкал к RTG, а в тихом отсеке размещалась электроника приборов. Особенно "шумные" компоненты, такие как предварительные усилители для радиодиполя, были установлены полностью за пределами конструкции, а корпус выполнял функцию клетки Фарадея. Аппарат "Улисс" был стабилизирован вращением вокруг оси z, которая приблизительно совпадала с осью параболической антенны. RTG, штыревые антенны и мачта приборов были размещены для стабилизации этой оси, при номинальной скорости вращения 5 об/мин. Внутри корпуса находился бак с гидразином. Монопропеллент гидразин использовался для коррекции траектории при подлете к Юпитеру, а затем исключительно для переориентации оси вращения (и, следовательно, антенны) на Землю. Управление аппаратом осуществлялось восемью двигателями, объединенными в два блока. Двигатели включались импульсно во времени для выполнения вращения или перемещения. Ориентацию определяли четыре датчика Солнца. Для точного управления ориентацией антенный волновод S-диапазона был установлен со небольшим смещением от оси. Это смещение в сочетании с вращением аппарата создавало кажущиеся колебания радиосигнала, передаваемого с Земли, при приеме на борту аппарата. Амплитуда и фаза этих колебаний были пропорциональны ориентации оси вращения относительно направления на Землю. Этот метод определения относительной ориентации называется коническим сканированием и использовался ранними радарами для автоматического сопровождения целей, а также широко применялся в ранних инфракрасных ракетах с самонаведением. Для передачи команд и приема телеметрии использовался S-диапазон через дублированные 5-ваттные передатчики. Для передачи научных данных использовался X-диапазон (только прием), с использованием двух 20-ваттных ТWTА до выхода из строя последнего ТWTА в январе 2008 года. Оба диапазона использовали параболическую антенну с питанием в фокусе, в отличие от системы Кассегрена, используемой в большинстве других космических аппаратов. Двойные магнитофонные диктофоны, каждый емкостью около 45 мегабит, хранили научные данные между номинальными восьмичасовыми сеансами связи во время основной и расширенной фаз миссии. Аппарат был спроектирован для выдерживания как жары внутренней Солнечной системы, так и холода на расстоянии Юпитера. Многослойная теплоизоляция и электрические нагреватели защищали аппарат от низких температур внешней Солнечной системы. В нескольких научных приборах использовались различные компьютерные системы (процессоры/микропроцессоры/блоки обработки данных), включая несколько радиационно-стойких микропроцессоров RCA CDP1802. Задокументированное использование 1802 включает в себя дублированные 1802 в COSPIN и по крайней мере по одному 1802 в приборах GRB, HI SCALE, SWICS, SWOOPS и URAP, а также другие возможные микропроцессоры, использованные в других местах. Общая масса при запуске составляла , из которых 33,5 кг приходилось на гидразиновый топливный бак, используемый для управления ориентацией и коррекции орбиты.

Инструменты

Двенадцать различных приборов поступили от ESA и NASA. Первоначальная конструкция предусматривала использование двух зондов – один от NASA и один от ESA, но зонд NASA был исключен из финансирования, и в конечном итоге приборы отмененного зонда были установлены на «Улиссе». Радио/плазменные антенны: две антенны из бериллиевой меди были развернуты наружу от корпуса, перпендикулярно оси РИТЭГа и оси вращения. Вместе эта дипольная антенна охватывала 72 метра (236,2 фута). Третья антенна, изготовленная из полых бериллиевых медных элементов, была развернута от корпуса вдоль оси вращения, напротив антенны-параболы. Это была монопольная антенна длиной 7,5 метров (24,6 фута). Эти антенны измеряли радиоволны, генерируемые выбросами плазмы, или саму плазму при прохождении над космическим аппаратом. Этот ансамбль приемников был чувствителен в диапазоне от постоянного тока до 1 МГц. Экспериментальная штанга: третий тип штанги, более короткий и значительно более жесткий, выдвигался с последней стороны космического аппарата, напротив РИТЭГа. Это была полая трубка из углеродного волокна диаметром 50 мм (2 дюйма). На фотографии она видна как серебристый стержень, убранный вдоль корпуса. На ней размещались четыре типа приборов: рентгеновский прибор на твердотельной основе, состоящий из двух кремниевых детекторов, для изучения рентгеновского излучения от солнечных вспышек и полярных сияний Юпитера; эксперимент по регистрации гамма-всплесков, состоящий из двух кристаллов сцинтиллятора CsI с фотоумножителями; два различных магнитометра – гелиевый векторный магнитометр и магнитометр с ферритовым сердечником; и двухосевая магнитная поисковая катушка для измерения переменных магнитных полей. Приборы, установленные на корпусе: детекторы электронов, ионов, нейтрального газа, пыли и космических лучей были установлены на корпусе космического аппарата вокруг тихого отсека. Кроме того, радиосвязь могла использоваться для поиска гравитационных волн (по доплеровскому сдвигу) и для зондирования атмосферы Солнца посредством радиооккультации. Гравитационные волны не были обнаружены. Общая масса приборов составила 55 кг. Магнитометр (MAG): MAG измерял магнитное поле в гелиосфере. Также проводились измерения магнитного поля Юпитера. Измерения магнитного поля «Улисса» выполнялись двумя магнитометрами: векторным гелиевым магнитометром и магнитометром с ферритовым сердечником. Эксперимент по исследованию плазмы солнечного ветра (SWOOPS): обнаруживал солнечный ветер на всех расстояниях и широтах от Солнца и в трех измерениях. Он измерял положительные ионы и электроны. Прибор для определения ионного состава солнечного ветра (SWICS): определял состав, температуру и скорость атомов и ионов, составляющих солнечный ветер. Унифицированный радио- и плазменный волновой прибор (URAP): принимал радиоволны от Солнца и электромагнитные волны, генерируемые в солнечном ветре вблизи космического аппарата. Прибор для исследования энергичных частиц (EPAC) и ГАС: EPAC исследовал энергию, потоки и распределение энергичных частиц в гелиосфере. ГАС изучал незаряженные газы (гелий) межзвездного происхождения. Эксперимент по исследованию ионов и электронов низкой энергии (HI SCALE): исследовал энергию, потоки и распределение энергичных частиц в гелиосфере. Прибор для исследования космических лучей и солнечных частиц (COSPIN): исследовал энергию, потоки и распределение энергичных частиц и галактических космических лучей в гелиосфере. Прибор для исследования солнечного рентгеновского и космического гамма-излучения (GRB): изучал космические гамма-всплески и рентгеновское излучение от солнечных вспышек. Эксперимент по исследованию пыли (DUST): проводил прямые измерения межпланетных и межзвездных пылевых зерен для изучения их свойств в зависимости от расстояния от Солнца и солнечной широты.

Планирование

До Улисса Солнце наблюдалось только с низких солнечных широт. Орбита Земли определяет плоскость эклиптики, которая отличается от экваториальной плоскости Солнца всего на 7,25°. Даже космические аппараты, непосредственно вращающиеся вокруг Солнца, делают это в плоскостях, близких к эклиптике, поскольку прямой запуск на высоконаклонную солнечную орбиту потребовал бы чрезмерно мощную ракету-носитель. Несколько космических аппаратов (Mariner 10, Pioneer 11 и Voyager 1 и 2) выполнили маневры гравитационного ускорения в 1970-х годах. Эти маневры предназначались для достижения других планет, также вращающихся близко к эклиптике, поэтому они в основном представляли собой изменение плоскости орбиты. Однако гравитационные маневры не ограничиваются изменениями в плоскости; подходящий пролёт мимо Юпитера мог бы обеспечить значительное изменение плоскости. Таким образом, была предложена миссия вне плоскости эклиптики (Out Of The Ecliptic – OOE). См. статью «Пионер Х». Изначально NASA и ESA должны были построить два космических аппарата в рамках Международной солнечной полярной миссии. Один из них должен был быть отправлен над Юпитером, а затем под Солнце, а другой – под Юпитером, а затем над Солнцем. Это обеспечило бы одновременное покрытие. В связи с сокращением финансирования американский космический аппарат был отменен в 1981 году. Был разработан один космический аппарат, и проект был переименован в «Улисс» из-за сложной и непроверенной траектории полёта. NASA предоставило радиоизотопный термоэлектрический генератор (RTG) и услуги по запуску, а ESA построило космический аппарат, который был поручен компании Astrium GmbH, Фридрихсхафен, Германия (ранее Dornier Systems). Приборы были распределены между группами из университетов и исследовательских институтов Европы и Соединенных Штатов. В результате этого процесса было получено 12 приборов на борту. Изменения отложили запуск с февраля 1983 года до мая 1986 года, когда планировалось его развертывание с помощью космического шаттла «Челленджер» (с использованием предлагаемой верхней ступени Centaur G Prime). Однако катастрофа «Челленджера» привела к двух с половиной годам простоя шаттлового флота, потребовала отмены верхней ступени Centaur G и перенесла дату запуска на октябрь 1990 года.

Запуск

"Улисс" был выведен на низкую околоземную орбиту с космического шаттла "Дискавери". Оттуда он был разогнан по траектории к Юпитеру с помощью комбинации твердотопливных ракетных двигателей. Эта верхняя ступень состояла из двухступенчатого Boeing IUS (Inertial Upper Stage) и McDonnell Douglas PAM S (Payload Assist Module Special). IUS был инерциально стабилизирован и активно управлялся во время работы. PAM S был не управляемым, и он вместе с "Улиссом" раскручивались до 80 оборотов в минуту для обеспечения стабильности в начале работы. После выключения PAM S двигательная установка и космический аппарат раскручивались в обратном направлении (веса, развертываемые на концах тросов) до скорости менее 8 оборотов в минуту перед отделением аппарата. При выходе на орбиту Земли космический аппарат стал самым быстрым из когда-либо искусственно разгонявшихся, и сохранял этот титул до запуска зонда "New Horizons". На пути к Юпитеру космический аппарат находился на эллиптической не-Гомановской переходной орбите. В этот момент у "Улисса" был небольшой наклон орбиты к эклиптике.

Юпитер проходит мимо

Он прибыл к Юпитеру 8 февраля 1992 года для гравитационного маневра, который увеличил его наклон к эклиптике на 80,2°. Гравитация гигантской планеты изогнула траекторию полета аппарата, направив его к югу и удалив от плоскости эклиптики. Это вывело его на финальную орбиту вокруг Солнца, проходящую мимо северного и южного полюсов Солнца. Размер и форма орбиты были незначительно скорректированы таким образом, чтобы афелий оставался примерно в 5 а. е., равном расстоянию Юпитера от Солнца, а перигелий был немного больше 1 а. е., расстоянию Земли от Солнца. Орбитальный период составляет около шести лет.

Полярные области Солнца

В период с 1994 по 1995 год он исследовал южный и северный полюса Солнца, соответственно.

Комета C/1996 B2 (Хякутаке)

1 мая 1996 года космический аппарат неожиданно пересек ионный хвост кометы Хякутаке (C/1996 B2), обнаружив, что его длина составляет не менее 3,8 а.е. Подобное произошло, когда "Улисс" пролетел сквозь ионный хвост кометы C/1999 T1 (Макнотт-Хартли). Корональный выброс массы перенес кометарный материал к "Улиссу".

Вторая встреча с Юпитером

Улисс достиг афелия в 2003/2004 году и продолжил наблюдения за Юпитером с большого расстояния.

Комета C/2006 P1 (МакНотт)

В 2007 году "Улисс" прошел через хвост кометы C/2006 P1 (McNaught). Результаты оказались на удивление отличными от результатов его прохождения через хвост кометы Хякутаке, при этом измеренная скорость солнечного ветра снизилась с примерно 700 километров в секунду (1 566 000 миль в час) до менее 400 километров в секунду (895 000 миль в час).

Расширенная миссия

Комитет по научной программе ЕКА одобрил четвертое продление миссии "Улисс" до марта 2004 года, что позволило аппарату в третий раз пройти над полюсами Солнца в 2007 и 2008 годах. Когда стало ясно, что выходной мощности от радиоизотопного термоэлектрического генератора (РТГ) будет недостаточно для работы научных приборов и предотвращения замерзания гидразина – топлива для управления ориентацией – была начата схема разделения энергии между приборами. До этого наиболее важные приборы работали постоянно, а остальные были отключены. При приближении к Солнцу отключались энергоемкие нагреватели, и включались все приборы. 22 февраля 2008 года, спустя 17 лет и 4 месяца после запуска, ЕКА и НАСА объявили, что работа миссии "Улисс", вероятно, прекратится в течение нескольких месяцев. 12 апреля 2008 года НАСА объявило, что окончательная дата завершения миссии – 1 июля 2008 года. Аппарат успешно функционировал более чем в четыре раза дольше запланированного срока службы. 15 января 2008 года вышел из строя компонент последней рабочей цепи подсистемы передачи данных в X-диапазоне. Предыдущая цепь в этой подсистеме вышла из строя в 2003 году. Связь с Землей была восстановлена в S-диапазоне, но ширина диаграммы направленности высокоусиливающей антенны в S-диапазоне была шире, чем в X-диапазоне, что привело к ослаблению принимаемого сигнала и снижению скорости передачи данных. По мере удаления аппарата к орбите Юпитера, сигнал передачи данных в конечном итоге опустился бы ниже порога чувствительности даже самых больших антенн (диаметром 70 метров, или 229,7 футов) Сети дальнего космоса. Еще до потери сигнала из-за расстояния, считалось вероятным замерзание гидразина, поскольку радиоизотопные термоэлектрические генераторы (РТГ) не вырабатывали достаточной мощности для нагревателей, чтобы компенсировать теплопотери в космос. После замерзания гидразина аппарат потерял бы способность маневрировать и удерживать высокоусиливающую антенну, направленной на Землю, что привело бы к потере сигнала в течение нескольких дней. Отказ подсистемы связи в X-диапазоне ускорил этот процесс, поскольку самая холодная часть топливной системы проходила вблизи усилителей с бегущей волной X-диапазона, которые выделяли достаточно тепла для поддержания температуры топлива. Ранее объявленная дата окончания миссии – 1 июля 2008 года – наступила и прошла, но операции продолжались в ограниченном режиме. Возможность сбора научных данных была ограничена периодами, когда "Улисс" находился в зоне видимости наземной станции, поскольку ухудшение характеристик S-диапазона не позволяло одновременно вести прием данных в реальном времени и воспроизводить записи с бортового магнитофона. Когда аппарат терял связь с наземной станцией, передатчик S-диапазона отключался, а энергия перенаправлялась на внутренние нагреватели для дополнительного подогрева гидразина. 30 июня 2009 года наземные операторы отправили команды на переключение на антенны с низким усилением. Это привело к прекращению связи с аппаратом, в сочетании с ранее отданными командами на полное отключение передатчика.