Исследование астероида Эрос космическим аппаратом NEAR

Введение

Американский космический зонд к астероиду (1996–2001)

Резюме

Основной целью миссии было изучение околоземного астероида 433 Эрос с орбиты в течение примерно одного года. Эрос – астероид типа S размером примерно 13 × 13 × 33 км, второй по величине околоземный астероид. Первоначально орбита была круглой с радиусом 200 км. Радиус орбиты был снижен поэтапно до 50 × 50 км 30 апреля 2000 года и уменьшен до 35 × 35 км 14 июля 2000 года. В последующие месяцы орбита была поднята до 200 × 200 км, а затем медленно уменьшалась и изменялась на ретроградную орбиту 35 × 35 км 13 декабря 2000 года. Миссия завершилась посадкой в область "седла" Эроса 12 февраля 2001 года. Некоторые ученые полагают, что конечной целью миссии было установление связи между Эросом, астероидным телом, и метеоритами, обнаруженными на Земле. При наличии достаточных данных о химическом составе можно было бы установить причинно-следственную связь между Эросом и другими астероидами типа S, а также с теми метеоритами, которые предположительно являются фрагментами астероидов типа S (возможно, самого Эроса). После установления этой связи, метеоритный материал можно было бы изучать с использованием крупного, сложного и постоянно совершенствующегося оборудования, а результаты – экстраполировать на объекты в космосе. NEAR не смог ни подтвердить, ни опровергнуть эту связь в полной мере, чтобы удовлетворить научное сообщество. В период с декабря 1999 года по февраль 2001 года NEAR использовал свой гамма-спектрометр для регистрации гамма-всплесков в рамках Межпланетной сети, а также гравитационные данные, позволившие вычислить размеры и массу Матильды.

Путешествие в Эрос

3 июля 1997 года NEAR выполнил первый крупный маневр в дальнем космосе – двухэтапное включение основного двигателя тягой 450 Н. Это уменьшило скорость на 279 м/с и снизило перигелий с 0,99 а.е. до 0,95 а.е. Гравитационный маневр вблизи Земли произошел 23 января 1998 года в 7:23 UT. Наименьшее расстояние сближения составило 540 км, что изменило наклон орбиты с 0,5 до 10,2 градусов, а расстояние афелия – с 2,17 до 1,77 а.е., приблизительно соответствуя параметрам орбиты Эроса. В это время работало приборное оборудование. Изначальный план миссии предусматривал четыре включения двигателя, за которыми должно было последовать включение для выхода на орбиту 10 января 1999 года, однако срыв первого включения и потеря связи сделали это невозможным. Был разработан новый план, в соответствии с которым NEAR пролетел мимо Эроса 23 декабря 1998 года в 18:41:23 UT со скоростью 965 м/с и на расстоянии 3827 км от центра масс Эроса. Камера сделала снимки Эроса, данные были собраны ближним инфракрасным спектрографом, и осуществлялось радиослежение во время пролета. Маневр сближения был выполнен 3 января 1999 года и включал в себя включение двигателя для уравнивания орбитальной скорости NEAR со скоростью Эроса. 20 января было произведено включение гидразинового двигателя для точной корректировки траектории. 12 августа двухминутное включение двигателя замедлило скорость аппарата относительно Эроса до 300 км/ч. После пролета NEAR перешел на 200-километровую круговую орбиту и изменил ее с прогрессивной околополярной на ретроградную околоэкваториальную. К 13 декабря 2000 года орбита была возвращена к круговой низкой орбите высотой 35 км. Начиная с 24 января 2001 года, аппарат начал серию сближений с поверхностью (на расстояние 5–6 км), а 28 января прошел на расстоянии 2–3 км от астероида. Затем аппарат начал медленное контролируемое снижение на поверхность Эроса, завершившееся посадкой к югу от седловидного образования Химерос 12 февраля 2001 года примерно в 20:01 UT (15:01 EST). К удивлению специалистов, аппарат не получил повреждений и остался работоспособен после посадки со скоростью 1,5–1,8 м/с (и таким образом стал первым аппаратом, совершившим мягкую посадку на астероид). После получения дополнительного времени использования антенны в сети дальнего космоса гамма-спектрометр аппарата был перепрограммирован для сбора данных о составе Эроса с позиции вблизи поверхности, где его чувствительность была в десять раз выше, чем на орбите. Это увеличение чувствительности было частично обусловлено возросшим соотношением сигнала от Эроса к шуму, генерируемому самим зондом. В 7 вечера по восточному времени 28 февраля 2001 года были получены последние данные от NEAR Shoemaker перед его выключением. Последняя попытка установить связь с аппаратом 10 декабря 2002 года не увенчалась успехом. Вероятно, это было связано с экстремальными условиями –279 °F (-173 °C, 100 K), которым подвергался зонд, находясь на Эросе.

On July 3, 1997, NEAR executed the first major deep space maneuver, a two part burn of the main 450 N thruster. This decreased the velocity by 279 m/s and lowered perihelion from 0.99 AU to 0.95 AU. The Earth gravity assist swingby occurred on January 23, 1998, at 7:23 UT. The closest approach was 540 km, altering the orbital inclination from 0.5 to 10.2 degrees and the aphelion distance from 2.17 to 1.77 AU, nearly matching those of Eros. Instrumentation was active at this time. The original mission plan called for the four burns to be followed by an orbit insertion burn on January 10, 1999, but the abort of the first burn and loss of communication made this impossible. A new plan was put into effect in which NEAR flew by Eros on December 23, 1998, at 18:41:23 UT at a speed of 965 m/s and a distance of 3827 km from the center of mass of Eros. The camera took images of Eros, data were collected by the near IR spectrograph, and radio tracking was performed during the flyby. A rendezvous maneuver was performed on January 3, 1999, involving a thruster burn to match NEAR orbital speed to that of Eros. A hydrazine thruster burn took place on January 20 to fine tune the trajectory. On August 12, a two minute thruster burn slowed the spacecraft velocity relative to Eros to 300 km/h.]] Following the flyby, NEAR moved to a 200 km circular orbit and shifted the orbit from prograde near polar to a retrograde near equatorial orbit. By December 13, 2000, the orbit was shifted back to a circular 35 km low orbit. Starting on January 24, 2001, the spacecraft began a series of close passes (5 to 6 km) to the surface and, on January 28, passed 2 to 3 km from the asteroid. The spacecraft then made a slow controlled descent to the surface of Eros, ending with a touchdown just to the south of the saddle shaped feature Himeros on February 12, 2001, at approximately 20:01 UT (3:01 p. m. EST). To the surprise of the controllers, the spacecraft was undamaged and operational after the landing at an estimated speed of 1.5 to 1.8 meters per second (thus becoming the first spacecraft to soft land on an asteroid). After receiving an extension of antenna time on the Deep Space Network, the spacecraft's gamma ray spectrometer was reprogrammed to collect data on Eros's composition from a vantage point about from the surface where it was ten times more sensitive than when it was used in orbit. This increase in sensitivity was in part due to the increased ratio of the signal from Eros compared to the noise generated by the probe itself. At 7 p. m. EST on February 28, 2001, the last data signals were received from NEAR Shoemaker before it was shut down. A final attempt to communicate with the spacecraft on December 10, 2002, was unsuccessful. This was likely due to the extreme −279 °F (−173 °C, 100 K) conditions the probe experienced while on Eros.

Космический корабль

Космический аппарат имеет форму восьмиугольной призмы, приблизительно 1,7 м в поперечнике, с четырьмя неподвижными солнечными панелями из арсенида галлия, расположенными как лопасти ветряной мельницы, фиксированной радиоантенной X-диапазона с высоким коэффициентом усиления 1,5 м, с магнитометром, установленным на антенном вводе, и рентгеновским солнечным монитором на одном конце (передней палубе), а остальные приборы – на противоположном конце (задней палубе). Большая часть электроники была смонтирована внутри палуб. Двигательный модуль располагался внутри корпуса. Решение о размещении приборов непосредственно на корпусе космического аппарата, а не на штангах, потребовало экранирования гамма-спектрометра от помех, создаваемых аппаратурой. Для движения использовались четыре гидразиновых двигателя тягой 21 Н и семь двигателей тягой 3,5 Н, обеспечивающие общий потенциал изменения скорости в 1450 м/с. Ориентация в пространстве поддерживалась с помощью гидразиновых двигателей и четырех маховиков. Двигательная система содержала 209 кг гидразина и 109 кг окислителя NTO в двух баках окислителя и трех топливных баках. Электропитание обеспечивалось четырьмя солнечными панелями из арсенида галлия размером 1,8 x 1,2 м, которые могли генерировать 400 Вт на расстоянии 2,2 а.е. (329 000 000 км) – максимальное расстояние от Солнца для NEAR, и 1800 Вт на расстоянии 1 а.е. (150 000 000 км). Энергия накапливалась в перезаряжаемой суперникель-кадмиевой батарее емкостью 9 ампер-часов, состоящей из 22 элементов. Твердотельные накопители построены на основе 16-мегабитных микросхем IBM Luna C DRAM. Один накопитель имеет объем памяти 1,1 гигабита, а другой – 0,67 гигабита.