Миссия Cluster: Исследование магнитосферы Земли и солнечного ветра.

Введение

Миссия Европейского космического агентства

Обзор миссии

Четыре идентичных спутника кластера II изучают влияние солнечной активности на космическую среду Земли, летая в формации вокруг Земли. Впервые в истории космонавтики эта миссия способна собирать трехмерную информацию о том, как солнечный ветер взаимодействует с магнитосферой и влияет на околоземное пространство и его атмосферу, включая полярные сияния. Космические аппараты имеют цилиндрическую форму (2,9 x 1,3 м, см. онлайн 3D-модель) и вращаются со скоростью 15 оборотов в минуту. После запуска их солнечные панели обеспечили мощность 224 Вт для работы приборов и связи. По мере развития миссии мощность солнечных батарей постепенно снижалась из-за повреждений, вызванных энергичными заряженными частицами, но это было учтено при планировании, и уровень мощности остается достаточным для проведения научных исследований. Четыре космических аппарата маневрируют в различные тетраэдрические формации для изучения структуры и границ магнитосферы. Расстояния между аппаратами могут изменяться и варьировались от примерно 4 до 10 000 км. Топливо для перехода на рабочую орбиту и маневры для изменения расстояний между аппаратами составляли около половины взлетной массы каждого аппарата. Первоначально высокоэллиптические орбиты аппаратов достигали перигея около 4 RE (земных радиусов, где 1 RE = 6371 км) и апогея 19,6 RE. Полный оборот по орбите занимал приблизительно 57 часов. Орбита менялась со временем: линия апсид сместилась к югу, что привело к постепенному уменьшению расстояния, на котором орбита пересекала лист магнитохвоста, и был охвачен широкий диапазон широт пересечения дневной магнитопаузы. Гравитационные эффекты вызывают долгосрочный цикл изменения расстояния до перигея (и апогея), который уменьшился до нескольких сотен километров в 2011 году, прежде чем снова начать расти. Плоскость орбиты отклонилась от наклона в 90 градусов. Модификации орбиты, выполненные ESOC, сократили орбитальный период до 54 часов. Все эти изменения позволили Cluster посетить гораздо большее количество важных магнитосферных областей, чем было возможно в рамках первоначальной двухлетней миссии, расширив научный охват миссии. Европейский центр космических операций (ESOC) принимает телеметрическую информацию и передает научные данные с аппаратов в онлайн-центры данных. Совместный научный операционный центр JSOC в лаборатории Ратерфорд-Эпплтон в Великобритании координирует научное планирование и совместно с командами приборов предоставляет ESOC объединенные запросы на управление приборами. Научный архив Cluster является долгосрочным архивом ESA для научных данных миссий Cluster и Double Star. С 1 ноября 2014 года он является единственной общедоступной точкой доступа к научным данным миссии Cluster и сопутствующим наборам данных. Данные Double Star находятся в открытом доступе через этот архив. Научный архив Cluster расположен рядом со всеми другими научными архивами ESA в Европейском центре космической астрономии, расположенном недалеко от Мадрида, Испания. С февраля 2006 года по октябрь 2014 года данные Cluster были доступны через активный архив Cluster.

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.

История

Миссия Cluster была предложена ESA в 1982 году и одобрена в 1986 году вместе с Солнечной и гелиосферной обсерваторией (SOHO). Вместе эти две миссии составляли "краеугольный камень" программы Солнечно-Земной физики в рамках программы миссий ESA Horizon 2000. Хотя первоначальные космические аппараты Cluster были завершены в 1995 году, взрыв ракеты Ariane 5, несущей спутники, в 1996 году задержал миссию на четыре года, пока строились новые приборы и космические аппараты. 16 июля 2000 года ракета "Союз Фрегат" с космодрома Байконур вывела на парковочную орбиту два замещающих аппарата Cluster II (Salsa и Samba), откуда они собственным ходом перешли на орбиту размером 19 000 на 119 000 километров с периодом 57 часов. Три недели спустя, 9 августа 2000 года, другая ракета "Союз Фрегат" вывела на аналогичные орбиты оставшиеся два аппарата (Rumba и Tango). Аппарат 1, Rumba, также известен как аппарат Phoenix, поскольку он в основном построен из запасных частей, оставшихся после неудачи первоначальной миссии. После ввода в эксплуатацию полезной нагрузки, первые научные измерения были произведены 1 февраля 2001 года. Европейское космическое агентство провело конкурс на присвоение имен спутникам среди всех государств-членов ESA. Рей Коттон из Великобритании выиграл конкурс, предложив имена Rumba, Tango, Salsa и Samba. Родной город Рэя, Бристоль, был награжден масштабными моделями спутников в знак признания его победы и связи города с миссией. Однако, после многих лет хранения, модели были установлены в лаборатории имени Рутерфорда Эпплтона. Первоначально миссия планировалась до конца 2003 года, но впоследствии была несколько продлена. Первое продление действовало с 2004 по 2005 год, второе – с 2005 по июнь 2009 года. В настоящее время миссия продлена до сентября 2024 года и расширена на исследования физики магнитосферы. TC 1 изучал области пониженной плотности вблизи удара земного магнитосферного фронта, которые могут играть роль в его формировании, а также колебания нейтрального слоя.

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.

Избранные публикации

Все 3721 публикация, относящаяся к миссиям Cluster и Double Star (данные на 31 марта 2023 года), доступна в разделе "Публикации" на веб-сайте миссии Cluster Европейского космического агентства (ESA). Среди них 3228 – публикации, прошедшие рецензирование, 342 – материалы конференций, 121 – докторские диссертации и 30 – диссертации других типов.