«Near Earth Asteroid Rendezvous Shoemaker» (сокр. «NEAR Shoemaker») — автоматическая межпланетная станция (АМС) NASA, отправленная в к астероиду Эрос. Аппарат, называвшийся ранее «NEAR spacecraft», получил сегодняшнее название , в честь американского геолога Юджина Шумейкера, погибшего в автокатастрофе в Австралии в . Многолетние исследования Шумейкера существенно повлияли на понимание роли астероидов в формировании планет.
«NEAR Shoemaker» стал первым искусственным спутником астероида, и первым искусственным объектом, совершившим мягкую посадку на астероид. По пути к Эросу аппарат исследовал астероид Матильда. «NEAR Shoemaker» в целом проработал немногим более пяти лет, в том числе около одного года на орбите Эроса.
История В Комитет по исследованию Солнечной системы NASA предложил отправить космический аппарат к астероиду, сближающемуся с Землёй. После этого, в со стороны Научной рабочей группы (SWG, сокр. от ) последовала всесторонняя оценка миссии «NEAR». Группа пришла к выводу, что в миссии может участвовать аппарат, используемый в миссиях Программы планетарных исследований NASA.
В NASA представила новую программу недорогих исследовательских миссий под названием «Дискавери» (). В рамках программы было принято решение отправить космический аппарат к околоземному астероиду. В были представлены два конкурсных предложения от Лаборатории прикладной физики (APL) и Лаборатории реактивного движения (JPL). В итоге было выбрано предложение APL.
Разработка аппарата была начата в декабре 1993 года, и продлилась более двух лет. Стоимость миссии «NEAR» — около 150 миллионов долларов США.
Выбор цели В был проведён поиск объектов, соответствующих возможностям аппарата «NEAR Shoemaker». При этом учитывались следующие ограничения: Запуск должен состояться в период с по ; Орбита астероида должна быть чётко определена (астероид должен иметь собственный номер); Афелий цели должен быть менее ; Изменение скорости (ΔV) после запуска ; Общее изменение скорости должно быть менее (под общим ΔV подразумевается сумма ΔV, необходимого для того, чтобы отойти от парковочной орбиты, и ΔV после запуска, необходимое для успешного сближения с астероидом).
Третье и четвёртое ограничения связаны со стоимостью и сложностью КА, а выполнение пятого условия позволяло обеспечить выполнение миссии с использованием ракеты-носителя класса Дельта. Предварительно были отобраны цели, указанные в таблице: Целевой астероид Диаметр, кмПо данным на 1992 год. Запуск Прибытие ΔV после запуска, км/с Общее ΔV, км/с(1943) Антерос 1,8 Май 1997 Сентябрь 1998 0,75 5,35(4660) Нерей(с пролётом (2019) ван Альбада) 1,0 Январь 1998 Январь 2000 1,20 5,74(3361) Орфей 0,8 Март 1998 Май 1999 1,46 5,47(4660) Нерей 1,0 Январь 2000 Октябрь 2001 0,70 5,05 Однако, все цели, соответствующие требуемым критериям, имеют малые размеры. Учёные опасались, что небольшой размер исследуемого объекта может ограничить количество и разнообразие научной информации.
В качестве цели нередко упоминался и астероид Эрос, который в перигелии сближается с орбитой Земли. Однако ему требовалось ΔV, превышающее , и большая наклонная асимптота запуска. Эрос значительно крупнее остальных предложенных целей, поэтому для устранения указанных недостатков было принято решение увеличить время полёта на один год, чтобы при пролёте рядом с Землёй через год использовать её гравитацию для корректировки угла наклона аппарата к плоскости эклиптики Солнечной системы.
Устройство аппарата
«NEAR Shoemaker» был сконструирован в Лаборатории прикладной физики (APL, сокр. от ). Это 55-й космический аппарат, сконструированный в APL.
Общие характеристики «NEAR Shoemaker» имеет форму восьмиугольной призмы, с четырьмя фиксированными панелями арсенид-галлиевых солнечных батарей, расположенных в виде мельницы. На верхнем основании призмы была установлена антенна высокого усиления диаметром
Площадь основания аппарата составляла . Общая масса на старте, с учётом топлива — , без топлива — 487 кг.
Основные подсистемы Управляющие подсистемы: Командно-управляющая подсистема. Подсистема стабилизации. Подсистема телекоммуникации. Подсистема энергоснабжения. Двигательная подсистема.
Научные инструменты: Мультиспектральная камера. Инфракрасный спектрометр. Лазерный высотомер. Гамма-рентгеновский спектрометр. Магнитометр. Радиоосциллятор.
Описание управляющих подсистем За управление «NEAR Shoemaker» отвечала Командно-управляющая подсистема (C&DH, сокр. от ), предназначенная для выполнения команд с Земли, сбора, обработки и форматирования данных телеметрии, включения и выключения других устройств аппарата. Подсистема включала в себя интерфейс для связи с другими подсистемами, управляемыми процессором. C&DH была оснащена двумя модулями памяти: ёмкость первого составляла , второго — .
Подсистема стабилизации (G&C, сокр. от ) предназначена для направления антенны высокого усиления при сеансах связи с Землёй, позиционирования аппарата для направления научных приборов в сторону исследуемой области. Для выполнения этих функций использовались несколько приборов, в том числе четыре полусферических 30-миллиметровых гироскопа. Гироскопы также использовались для определения курса и измерения изменения скорости (ΔV). Кроме того, подсистема стабилизации обеспечивала контроль за тепловым состоянием приборов, предохраняя их от перегрева или переохлаждения.
Подсистема телекоммуникации обеспечивала связь аппарата с Землёй. В состав подсистемы входила одна антенна высокого усиления (HGA, сокр. от ) и две — низкого усиления (LGA, сокр. от ). HGA использовалась для передачи больших объёмов данных, и могла работать на скорости обмена . LGA использовались в тех случаях, когда необходимо было экономить энергию, как, например, в процессе полёта «NEAR Shoemaker» к цели. Скорость обмена антенны низкого усиления была очень небольшой, .
Подсистема энергоснабжения включает четыре панели арсенид-галлиевых солнечных батарей, размером каждая, и никель-кадмиевую батарею ёмкостью . На начальном этапе, на расстоянии солнечные батареи обеспечивали мощность , на наибольшем удалении от Солнца — около .
Двигательная подсистема предназначена для выполнения манёвров и управления положением аппарата. Она включает в себя один главный двигатель тягой , четыре двигателя тягой по , и семь малых двигателей тягой по . Главный двухкомпонентный двигатель использовался для совершения манёвров в космосе. Остальные двигатели однокомпонентные, и использовались для управления положением аппарата.
Описание научных инструментов Мультиспектральная камера (MSI, сокр. от ) предназначения для получения изображений в видимом и близким к инфракрасному диапазонам. Камера включает в себя восемь фильтров, охватывающих диапазон . Угол обзора камеры составляет , с разрешением . Такие характеристики позволяют получить разрешение с расстояния . Мультиспектральная камера использовалась для определения формы Эроса, особенностей строения поверхности, построения карты распределения минералов.
Инфракрасный спектрометр (NIS, сокр. от ) работал в спектральном диапазоне от . Предназначался для изучения химического состава астероида, путём измерения спектра отражённого от поверхности солнечного света.
Лазерный высотомер (NLR, сокр. от ) использовался для определения расстояния до Эроса, и позволил провести точные измерения формы астероида. Лазерный передатчик, входящий в состав прибора, работал на длине волны , и вырабатывал импульсы мощностью и длительностью
Гамма-рентгеновский спектрометр (XGRS, сокр. от ) разрабатывал глобальные карты химического состава поверхности Эроса, измеряя выбросы гамма-излучения и рентгеновского излучения с астероида, образующиеся в связи с воздействием солнечной энергии. По сути инструмент представлял собой два прибора, измеряющих электромагнитные волны разной длины. Измерения в рентгеновском диапазоне использовались для обнаружения в составе поверхности астероида таких химических элементов, как магний, алюминий, кремний, кальций, титан и железо. В гамма-диапазоне исследовалась поверхность глубиной порядка 10 см на предмет наличия кислорода, кремния, железа, водорода, калия, тория и урана.
Трёхосевой феррозондовый магнитометр использовался для измерения магнитного поля Эроса. Датчик прибора был установлен в основании антенны высокого усиления, а электроника — в другой части аппарата. Датчик использовал восемь выбираемых уровней чувствительности в диапазоне от 4 нТл до 65536 нТл.
Радиоосциллятор (RS, сокр. от ), работавший на частоте 8438 МГц, позволял определять радиальную скорость с точностью до 0,1 мм/с, а также использовался для измерения гравитационных параметров Эроса.
Хроника полёта и траектория
«NEAR Shoemaker» следовал по так называемой траектории «Delta VEGA», необходимой для сближения с Эросом, орбита которого наклонена под углом 10,8° к плоскости эклиптики Солнечной системы. «Delta V» подразумевает изменение скорости движения аппарата, а «EGA» — гравитационную помощь Земли ().
Запуск со стартовой площадки 17-B на мысе Канаверал во Флориде, с помощью трёхступенчатой американской ракеты-носителя «Дельта-2» 7925, был запущен «NEAR Shoemaker». На высоте около с наклонением 28,74° ракета вышла на парковочную орбиту. Период нахождения на парковочной орбите был сравнительно коротким . Это говорит о том, что солнечная энергия начала использоваться через час после запуска.
Третья ступень отработала полностью в земной тени. Приблизительно через после запуска эта ступень отделилась, и раскрылись панели солнечных батарей. После отделения третьей ступени за контроль над аппаратом стала отвечать его система управления. В течение , с момента запуска и до выхода «NEAR Shoemaker» из тени Земли, аппарат поддерживал работу с помощью встроенных батарей. Поскольку их размеры и вес были ограничены, работали только наиболее важные системы.
Полёт к Матильде Полёт к астероиду (253) Матильда занял более .
В течение первых нескольких недель полёта проверялось состояние аппарата. Также в течение этого периода проводились небольшие запуски двигателя, в целях калибровки двигательной системы, и корректировки отклонений от заданной траектории. После этого, для экономии энергии, аппарат был переведён в режим минимальной активности. Все инструменты были отключены. Подсистема телеметрии периодически обрабатывала служебные операции и навигационные данные, и сохраняла их. Нагреватели использовались для поддержания температуры неактивных систем.
«NEAR Shoemaker» сохранял этот спящий режим, за исключением контактов с Землёй, проводившихся раз в три недели в течение четырёх часов каждый. Контакты были необходимы для анализа состояния аппарата на Земле, и получения накопившихся телеметрических данных.
Пролёт Матильды «NEAR Shoemaker» пролетел на минимальном расстоянии от астероида Матильда. Скорость пролёта составила . По ходу пролёта аппарат сделал более 500 изображений астероида. Разрешение наиболее качественных из них составляет 180 метров на пиксель. Также было получено 7 цветных изображений, с разрешением 400—500 метров на пиксель. Из-за медленного вращения, «NEAR Shoemaker» смог сфотографировать всего около 60% поверхности.
Кроме телеметрических наблюдений, было измерено магнитное поле и масса Матильды. В процессе отлёта аппарата был проведён поиск возможных спутников астероида, но они не были обнаружены.
, через неделю после пролёта Матильды, был проведён первый манёвр с помощью двигателя аппарата, необходимый для уменьшения перигелия Манёвр был проведён в два этапа, с целью недопущения перегрева двигателя.
Пролёт Земли Следующим важным этапом миссии был пролёт рядом с Землёй, необходимый для изменения наклонения к эклиптике Солнечной системы с 0,5° до 10,2°, и уменьшения афелийного расстояния от до Пролёт прошёл на высоте от поверхности планеты.
Интересным аспектом пролёта Земли оказался тот факт, что изменённая траектория оказалась над южным полярным регионом планеты на протяжении значительного времени. Это позволило получить ряд уникальных изображений Антарктиды.
Пролёт Эроса