Новые горизонты

«Новые горизонты» (, произносится [njuː həˈraɪznz]) — автоматическая межпланетная станция НАСА, запущенная в рамках программы «Новые рубежи» () и предназначенная для изучения Плутона и его естественного спутника Харона. Запуск осуществлён 19 января 2006 года, с пролётом Юпитера (и гравитационным манёвром в его поле тяготения) в 2007 году и Плутона — в 2015 году. После пролёта вблизи Плутона аппарат, возможно, изучит один из объектов пояса Койпера. Полная миссия «Новых горизонтов» рассчитана на 15—17 лет.
«Новые горизонты» покинул окрестности Земли с самой большой из всех космических аппаратов скоростью. В момент выключения двигателей она составила (относительно Земли). Гелиоцентрическая скорость составила , что позволило бы «Новым горизонтам» уйти из Солнечной системы даже без гравитационного манёвра около Юпитера. Однако в 2015 году гелиоцентрическая скорость аппарата составляла около , что меньше, чем скорость «Вояджера-1» — («Вояджер-1» набрал бо́льшую скорость за счёт дополнительного гравитационного манёвра у Сатурна).
Основными целями миссии являются исследование формирования системы Плутона и Харона, формирования пояса Койпера, процессов, происходивших на ранних этапах эволюции Солнечной системы. Космический аппарат будет изучать поверхность и атмосферу объектов системы Плутона, ближайшее окружение Плутона. Аналогичные исследования возможны у объектов пояса Койпера в расширенной миссии.
В задачи миссии входит:
Масса аппарата — , включая топлива. Размеры — . Для запуска использовалась американская ракета-носитель «Атлас-5» в конфигурации «551» с установленным на ней российским двигателем РД-180, что было обусловлено необходимостью значительного ускорения аппарата и является наиболее тяжёлым вариантом этой ракеты из использованных на 2012год.
Коммуникации с космическим аппаратом осуществляются в X-диапазоне с помощью антенн — узконаправленной с высоким коэффициентом усиления, широконаправленной со средним коэффициентом усиления и парой всенаправленных. Со стороны Земли обмен осуществляется при помощи антенн дальней космической связи, имеющих диаметр 70 метров и уже применявшихся для миссий за пределами орбиты Юпитера. Сигнал имеет круговую поляризацию.
Узконаправленная антенна диаметром выполнена по схеме Кассегрена, обладает углом раскрытия и коэффициентом усиления . Широкополосная антенна диаметром и углом раскрытия крепится на обратной стороне вторичного рефлектора узконаправленной антенны. Пара всенаправленных антенн расположены с противоположных сторон космического аппарата. Одна из них находится поверх приёмника широконаправленной антенны, а вторая — внутри переходника крепления к ракете-носителю. Всенаправленные антенны использовались только на ранних фазах полёта в околоземном пространстве и могли бы помочь в аварийных ситуациях при потере ориентации.
Исходящий сигнал усиливается 12-ваттной лампой бегущей волны, которая (вместе с резервной) смонтирована на корпусе космического аппарата под тарелкой узконаправленной антенны. Управление передающим устройством допускает одновременное использование обеих ламп, что позволяет практически удвоить скорость передачи данных на Землю. При этом поляризация сигнала будет двойной. Испытания такого способа передачи в начале миссии были признаны успешными и сейчас считаются рабочим вариантом (в том случае, если хватит запаса мощности системы электропитания).
Система связи имеет избыточную конструкцию — большинство ключевых устройств в системе связи продублировано, и в случае выхода из строя основных устройств их работу примут на себя запасные. Система позволила передавать данные на Землю со скоростью () в районе Юпитера — скорость, сравнимая со скоростью устаревшего модема. По достижении Плутона аппарат сможет передавать данные со скоростью ( в секунду); будет передаваться примерно . Это крайне маленькая скорость, но и она позволит передать на Землю ценные научные данные и даже высококачественные фотографии. Помимо низкой скорости, дополнительным усложняющим фактором будет задержка сигнала, составляющая в каждую сторону.
Научная информация, полученная в результате наблюдений, будет передаваться не сразу — сначала она сохраняется в банках памяти бортового вычислительного комплекса. Это происходит отчасти потому, что скорость поступления такой информации существенно выше пропускной способности передатчика, а также и потому, что вся аппаратура в целях снижения массы аппарата смонтирована непосредственно на корпусе космического аппарата и требует для её нацеливания поворота всего аппарата. Такой способ позволяет сделать космический аппарат более лёгким. Такой подход применяется не повсеместно — например, космические аппараты серии «Вояджер» имели поворотные платформы для научных приборов. Однако у «Вояджера-2» при пролёте Сатурна платформу заклинило, и в научную программу пришлось вносить коррективы — для получения снимков Урана и Нептуна с должной выдержкой без эффектов размазывания пришлось поворачивать аппарат вслед за планетой. Точно такой же подход теперь применён и на «Новых горизонтах».
В качестве источника электроэнергии был взят радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ). На старте его электрическая мощность составляла , и согласно прогнозам, она будет падать на 5 % каждые четыре года, что обеспечит мощность в в 2015 году, во время основного этапа миссии — пролёта системы Плутон—Харон, что гораздо меньше мощности РИТЭГа «Вояджеров» ( на старте, в 2006 году). Этим объясняется меньшая длительность миссии, которую планируется завершить в 2020-х годах, когда аппарат пройдёт —
За основу была взята существующая модель РИТЭГа «GPHS-RTG», которая уже использовалась в космических миссиях «Улисс», «Галилео», «Кассини-Гюйгенс». РИТЭГ содержит около радиоактивного топлива в виде оксида плутония-238. Интересная параллель: химический элемент плутоний был назван в честь небесного тела Плутона, изучение которого и является целью АМС «Новые горизонты». Каждая таблетка заключена в силовой корпус из иридия и поверх него покрыта оболочкой из графита.
Особенностями этого изотопа являются высокое тепловыделение на единицу массы, а также радиоактивный распад, происходящий с испусканием только альфа-частиц, благодаря чему можно обойтись лёгкой радиационной защитой. Однако данный изотоп является побочным продуктом выработки оружейного плутония, производство которого остановлено и в США, и в России, что делает его крайне дефицитным материалом.
РИТЭГ был разработан в Министерстве энергетики США в Комплексе материалов и топлив (ранее Западный Аргонн), являющемся подразделением Национальной лаборатории Айдахо в Бингеме. В 2002 году Министерство энергетики США было вынуждено перевести программу разработки батарей космических аппаратов из Огайо в Айдахо по соображениям безопасности. Из-за проблем с финансированием и задержек в производстве генератор получился меньшей мощности, чем планировалось изначально. Это потребовало пересмотра научной программы миссии. На борту космического аппарата отсутствуют иные источники питания, вся энергия полностью генерируется РИТЭГом, периоды пиковых нагрузок парируются батареями конденсаторов. Управление нагрузкой производится посредством блоков быстрых переключателей.
Масса плутония, загруженного в РИТЭГ «Новых горизонтов», примерно втрое меньше, чем было в «Кассини-Гюйгенс». Тем не менее, этот проект вызвал протесты активистов. Министерство энергетики Соединенных Штатов оценило вероятность неудачного запуска, при котором произойдёт радиоактивный выброс в атмосферу, в . Считалось, что худший вариант полного рассеивания плутония распространит радиоактивное заражение, эквивалентное 80 % средней ежегодной дозы фонового излучения в Северной Америке, в окрестности с радиусом ().
Бортовой вычислительный комплекс состоит из двух систем — системы обработки команд и данных и системы навигации и управления. Каждая из двух систем дублируется, что в сумме даёт четыре компьютера. Компьютеры построены на базе процессора Mongoose-V с архитектурой MIPS, который является радиационно-стойкой версией процессора R3000 и работает на частоте . По сравнению с процессором RAD750, используемом в марсоходе Curiosity, он является менее производительным и работает на меньшей частоте ( против ), но и гораздо более дешёвым (— против , по состоянию контрактных цен на 2012 год).
Для хранения научной информации применены два банка флеш-памяти (основной и резервный) объёмом по .
Платы компьютеров размещены в "интегрированных электронных модулях", внутри которых поддерживается необходимый режим. Помимо плат компьютеров, там размещены платы прочей электроники — научных приборов и органов управления. Каждый модуль содержит в себе .
19 марта 2007 года в компьютере системы обработки команд и данных произошёл некорректируемый сбой ячейки памяти, в результате чего компьютер перезагрузился и перешёл в защищённый режим. Полное восстановление работоспособности заняло двое суток, при этом часть научных данных о магнитосфере Юпитера была утрачена. Данный сбой не повлиял на основную миссию аппарата.
Космический зонд «Новые горизонты» не обладает достаточной мощностью бортового источника энергии, чтобы иметь возможность производить стабилизацию посредством маховиков. Поэтому задача ориентации и стабилизации полностью возложена на "корректирующую двигательную установку". В качестве топлива для неё используется метилгидразин. Являясь монотопливом, метилгидразин обладает несколько худшими энергетическими характеристиками и требует определённой культуры исполнения системы для предотвращения преждевременного разложения, по сравнению с традиционными двухкомпонентными топливами. С другой стороны, двухкомпонентная система сложнее, в том числе из-за необходимости длительного хранения химически агрессивного высококипящего окислителя (например, азотной кислоты, тетраоксида диазота), хотя и была успешно реализована ранее в СССР и США (используется в настоящее время на космических кораблях Союз, ранее использовалась, в том числе на космических кораблях Аполлон и в Системе орбитального маневрирования космических кораблей Спейс шаттл).
В топливном баке космического аппарата можно разместить до метилгидразина, но в данной миссии было заправлено только . Этой массы топлива достаточно, чтобы придать аппарату дополнительную скорость в . В качестве вытеснителя используется гелий.
Резерв первичной миссии (масса топлива, которая должна остаться после выполнения первичной миссии — пролёта мимо Плутона) делится на основной и дополнительный резерв и может быть использован для выполнения расширенной миссии — пролёта мимо объекта из пояса Койпера.
«Новые горизонты» имеют два режима стабилизации — обычный и высокоточный. В обычном режиме стабилизация двигателями производится по двум осям, а по третьей, направленной от Земли и проходящей через антенны, аппарат стабилизируется гироскопическим эффектом (вращение со скоростью пять оборотов в минуту). В высокоточном режиме стабилизация двигателями производится по всем трём осям. Высокоточный режим используется для проведения большинства научных исследований и требует бо́льшего расхода топлива. В обычном режиме стабилизации доступны наблюдения с помощью REX, SWAP, PEPSSI и VB-SDC.
Температура внутри космического аппарата поддерживается в районе 10—30 °C. В начале миссии на стороне, обращённой к Солнцу, температура была выше, но не превышала 40 °C. Минимально допустимая температура составляет 0 °C и обусловлена температурой замерзания гидразинового топлива.
Температурный режим поддерживается балансировкой электропитания и отработанного тепла РИТЭГа и потерь тепла через термоизоляцию, внешние элементы инструментов и системы управления.
Для поддержания температуры космический аппарат обёрнут в лёгкую многослойную термическую изоляцию, которая удерживает тепло от работающей электроники по принципу «термоса».
На самом аппарате установлены следующие приборы:
Осуществление полёта неоднократно откладывалось из-за недостатка финансирования, а также задержек с изготовлением плутониевого термоэлектрического генератора. Стоимость осуществления проекта оценивалась в 2006 году в долларов.
Подробное описание в специальном выпуске Space Science Reviews, посвященном миссии New Horizons (New Horizons: Reconnaissance of the Pluto-Charon System. Volume 140, Issue 1-4, October 2008):