Миссия Genesis: Возвращение образцов солнечного ветра.

Введение

Зонд NASA для возврата образцов
Миссия NASA по возврату образцов

Научная группа Genesis продемонстрировала, что часть загрязнений может быть удалена или предотвращена, и что частицы солнечного ветра могут быть проанализированы различными методами, достигнув всех основных научных целей миссии.

Профиль миссии

Genesis - это миссия класса Discovery, разработанная Лабораторией реактивного движения НАСА (JPL) при Калифорнийском технологическом институте. Космический аппарат был спроектирован и построен компанией Lockheed Martin Space Systems с общей стоимостью миссии, покрываемой НАСА. НАСА запустило аппарат на ракете Delta II 7326 8 августа 2001 года в 16:13:40 UTC с мыса Канаверал. Разработка траектории полета была возглавлена Мартином Ло. После запуска Genesis направился к точке Земля-Солнце, затем выполнил маневр выхода на орбиту Лиссажу, войдя в эллиптическую орбиту примерно 16 ноября 2001 года. 3 декабря Genesis раскрыл свои коллекторные панели и начал сбор частиц солнечного ветра. Процесс сбора завершился через 850 дней, 1 апреля 2004 года, когда космический аппарат завершил пять гало-орбит вокруг . Genesis начал возвращение на Землю 22 апреля 2004 года. Фаза возвращения включала в себя орбитальный маневр в сторону Земли, чтобы обеспечить возможность извлечения аппарата в дневное время, поскольку прямой заход на Землю потребовал бы извлечения ночью. После завершения одной гало-орбиты, возвращаемая капсула Genesis отделилась от основного блока космического аппарата и вернулась на Землю для запланированного извлечения 8 сентября 2004 года.

Фаза восстановления

После завершения фазы сбора, коллекторные массивы были помещены в капсулу для возврата образцов, и космический аппарат вернулся на Землю. По мере приближения капсулы к Земле и на первых этапах входа в атмосферу, все казалось благополучным. Было проведено тщательное планирование извлечения капсулы. Обычная посадка на парашюте могла повредить хрупкие образцы, поэтому конструкция миссии предусматривала захват капсулы для возврата образцов в воздухе. На высоте примерно над землей должен был быть выпущен тормозной парашют для замедления спуска. Затем, на высоте , должен был быть развернут большой парашют-крыло для дальнейшего замедления спуска и стабилизации полета капсулы. Вертолет, с другим вертолетом в качестве резервного, должен был попытаться захватить капсулу за парашют с помощью пятиметрового крюка. После захвата капсула должна была быть мягко посажена. Капсула для возврата образцов вошла в атмосферу Земли над северным Орегоном 8 сентября 2004 года в 16:55 UTC со скоростью около . Планируемый захват в воздухе не удался, и капсула разбилась в пустынной местности на испытательном полигоне Дугвей в округе Туэль, штат Юта, примерно в . Капсула разрушилась при ударе, и часть внутренней капсулы для образцов также была повреждена. Ущерб оказался менее серьезным, чем можно было ожидать, учитывая скорость; падение на относительно мягкую почву несколько смягчило удар. Несработавшие пиротехнические устройства в системе раскрытия парашюта и токсичные газы из батарей задержали подход спасательной команды к месту крушения. После обеспечения безопасности поврежденная капсула для возврата образцов была извлечена и перемещена в чистую комнату для осмотра; одновременно группа обученного персонала прочесывала местность в поисках фрагментов коллекторов и отбирала образцы местной пустынной почвы для архивирования в качестве эталона для выявления возможных загрязнений в будущем. Работы по восстановлению, проведенные членами команды Genesis на испытательном и учебном полигоне Юты, включая осмотр, каталогизацию и упаковку различных коллекторов, заняли четыре недели.

Following completion of the collection phase, the collector arrays were stowed in a sample return capsule, and the spacecraft returned to Earth. As the capsule was approaching Earth and at the first stages of re entry, all appeared well. Extensive planning had been conducted for the capsule's retrieval. A normal parachute landing might have damaged the delicate samples, so the mission design called for a mid air retrieval of the sample return capsule. About above the ground, a drogue parachute was to be deployed to slow descent. Then, at a height of , a large parafoil was to be deployed to slow descent further and leave the capsule in stable flight. A helicopter, with a second helicopter as a backup, was then to attempt to catch the capsule by its parachute on the end of a five meter hook. Once retrieved, the capsule would have been soft landed. The sample return capsule entered Earth's atmosphere over northern Oregon at 16:55 UTC on September 8, 2004, with a velocity of approximately The planned mid air retrieval could not be carried out, and the capsule crashed into the desert floor of the Dugway Proving Ground in Tooele County, Utah, at about
The capsule broke open on impact, and part of the inner sample capsule was also breached. The damage was less severe than might have been expected given its velocity; it was to some extent cushioned by falling into fairly soft ground. Unfired pyrotechnic devices in the parachute deployment system and toxic gases from the batteries delayed the recovery team's approach to the crash site. After all was made safe, the damaged sample return capsule was secured and moved to a clean room for inspection; simultaneously a crew of trained personnel scoured the site for collector fragments and sampled the local desert soil to archive as a reference by which to identify possible contaminants in the future. Recovery efforts by Genesis team members at the Utah Test and Training Range – which included inspecting, cataloging and packaging various collectors – took four weeks.

Судьба космического корабля

После выпуска капсулы с образцами 8 сентября 2004 года, аппаратный модуль вернулся к траектории к точке Лагранжа Земля-Солнце L1. 6 ноября 2004 года был выполнен маневр коррекции траектории, позволивший аппаратному модулю в конечном итоге покинуть окрестности Земли, если он не будет использован для продолженной миссии. Окончательные команды были переданы аппаратному модулю 2 декабря 2004 года, переводя Genesis в режим ожидания. В этом "безопасном" режиме он продолжит передавать информацию о своем состоянии, автономно ориентируя солнечные панели на Солнце. Аппаратный модуль покинул окрестности Земли примерно 1 февраля 2005 года, оставаясь на гелиоцентрической орбите, опережающей Землю.

Извлечение проб и результаты

Первоначальные исследования показали, что некоторые пластины раскрошились при ударе, но другие остались в основном неповрежденными. В капсулу попала пустынная пыль, но не жидкая вода. Поскольку частицы солнечного ветра, как ожидалось, были внедрены в пластины, а загрязняющая пыль, вероятно, лежала лишь на поверхности, удалось отделить пыль от образцов. Неожиданно, наиболее сложной задачей при анализе образцов оказалось не устранение земной пустынной пыли, попавшей при аварии, а собственные соединения аппарата, такие как смазочные материалы и конструкционные элементы. Группа анализа заявила, что сможет достичь большинства основных научных целей. 21 сентября 2004 года началось извлечение образцов, а в январе 2005 года первый образец алюминиевой пластины был отправлен ученым из Вашингтонского университета в Сент-Луисе для анализа. Образцы солнечного ветра, полученные в рамках миссии Genesis, находятся под долгосрочным хранением в Космическом центре имени Джонсона NASA, чтобы по мере развития методов анализа образцов, научное сообщество имело доступ к нетронутым образцам солнечного ветра в течение многих десятилетий. Оставшиеся результаты по элементарному и изотопному составу благородных газов были опубликованы в 2009 году. Эти результаты согласуются с данными, полученными при анализе лунных образцов, содержащих "молодой" (~100 миллионов лет) солнечный ветер, что указывает на то, что состав солнечного ветра не изменился, по крайней мере, за последние 100 миллионов лет. 10 марта 2008 года команда объявила, что анализ пластины из карбида кремния, полученной из концентратора Genesis, показал, что содержание изотопа кислорода-16 (¹⁶O) на Солнце выше, чем на Земле, Луне, Марсе и в большинстве метеоритов. Это говорит о том, что неизвестный процесс лишил протопланетный диск Солнца примерно 6% изотопа кислорода-16 до того, как пылевые зерна слились, образовав внутренние планеты и пояс астероидов.

Изотопы азота

Азот был ключевым элементом-мишенью, поскольку степень и происхождение его изотопных вариаций в материалах Солнечной системы оставались неизвестными. Анализ целевого материала показал, что имплантированный солнечным ветром азот имеет отношение 15N/14N, равное 2,18 (то есть примерно на 40% обеднен по 15N по сравнению с земной атмосферой). Отношение 15N/14N в протосолнечной туманности составляло 2,27, что является самым низким известным отношением 15N/14N для объектов Солнечной системы. Этот результат демонстрирует крайнюю изотопную неоднородность азота на ранних этапах формирования Солнечной системы и объясняет обедненные по 15N компоненты, наблюдаемые в различных резервуарах Солнечной системы.

Комитет по расследованию преступлений (MIB)

Назначен 16-членный совет НАСА по расследованию инцидентов (MIB), включающий экспертов по пиротехнике, авионике и другим специальностям. MIB начал свою работу 10 сентября 2004 года, прибыв на испытательный полигон Дугвей. Совет установил, что все научное оборудование, предназначенное для хранения в Космическом центре имени Джонсона, может быть передано и не требуется для работы комиссии. JPL и Lockheed Martin приступили к подготовке данных о полете и другой документации для MIB. 20 сентября 2004 года MIB объявил, что капсула, из которой извлечены научные материалы, будет перевезена на объект Lockheed Martin Space Systems недалеко от Денвера, штат Колорадо, для использования в работе MIB. Первая возможная причина неудачного раскрытия парашютов была объявлена в пресс-релизе от 14 октября. Lockheed Martin спроектировал систему с неправильно ориентированными внутренними механизмами датчика ускорения (G-датчик был установлен задом наперед), и эта ошибка не была выявлена в ходе проверки проекта. Ускоритель был установлен в соответствии с ошибочным проектом. Изначальный проект предусматривал замыкание электрического контакта внутри датчика при , поддержание его до максимально ожидаемого значения и размыкание контакта при 3 g для запуска последовательности раскрытия парашюта. Вместо этого контакт не был установлен. Аналогичная концепция парашюта также использовалась на космическом аппарате Stardust для возврата образцов кометы, который успешно приземлился в 2006 году. Председатель комиссии по расследованию НАСА Майкл Рышкевич отметил, что ни одна из строгих процедур проверки в НАСА не выявила ошибку, заявив: «Очень легко было допустить такую путаницу». Этот инцидент аналогичен событию, которое вдохновило Эдварда А. Мёрфи-младшего на формулировку знаменитого закона Мёрфи: акселерометр, установленный в обратном направлении. 6 января 2006 года Рышкевич сообщил, что Lockheed Martin пропустил предварительную процедуру тестирования аппарата, и отметил, что этот тест мог легко выявить проблему.