12 мая стало известно, что у астрономического спутника-телескопа «Кеплер», который находится на гелиоцентрической орбите, произошла поломка двигателя-маховика № 4 гиростабилизированной платформы. Причина поломки осталась неизвестной, но в результате специалисты NASA практически потеряли управление спутником. Мы расскажем о том, как он работал и чего именно мы лишились, потеряв этот телескоп.
Для разворота спутника используются четыре гироскопа, внутри которых находятся массивные маховики. Эти четыре гироскопа и составляют гиростабилизованную платформу. Как показала практика, надежность системы оставляет желать лучшего. Один из таких гироскопов вышел из строя 16 июля прошлого года, а недавно пришла очередь второго. В результате уже 16 мая этого года в прессе появилась информация о том, что космическая обсерватория потеряна для исследователей: вероятность того, что инженеры NASA смогут восстановить контроль над сломавшимся гироскопом, была близка к нулю. Кроме того, расстояние в несколько десятков миллионов километров не позволяло специалистам прийти на помощь своему детищу: полет пилотируемого корабля к астроспутнику обошелся бы значительно дороже запуска нового подобного аппарата.
Но случилось чудо, и 21 мая мир облетела информация, что спутник удалось привести в стабильное состояние. В течение нескольких дней до этого контроль над управлением аппарата осуществлялся с помощью тяговых двигателей. Как известно, их ресурс очень ограничен, так как для работы используется топливо, запасы которого на борту астроспутника весьма невелики.
Режим постоянной направленности, в который удалось привести «Кеплер», был разработан специально для того, чтобы экономить топливо. Его суть заключается в том, что астрономический спутник, движущийся по орбите вокруг Солнца, постоянно отталкивается от светила его давлением, а периодические включения маршевых двигателей возвращают его в прежнее положение.
К сожалению, такой режим - лишь полумера. Он позволяет экономить топливо и снимать телеметрические данные, но об уровне работоспособности, на котором «Кеплер» находился раньше, и говорить не приходится. Конечно, ученые в ближайшее время будут ломать голову над тем, как восстановить работоспособность сломавшегося гироскопа, но стоит признать, что это вряд ли у них получится. К тому же, как топливо не экономь, оно все равно рано или поздно закончится. В консилиум по спасению астрономического спутника вошли специалисты из Исследовательского центра Эймса, Лаборатории Реактивного Движения NASA, UTC Aerospace Systems, специалисты которой и разрабатывали маховики, а также Ball Aerospace & Technologies.
В любом случае, «Кеплер» -целая эпоха в изучении и освоении космоса. Проект вполне заслуженно назван одним из самых значимых и масштабных проектов NASA. Основная задача, которая изначально возлагалась на аппарат, уже выполнена. Ну, а мы постараемся вспомнить все, что касается этого удивительного и уникального космического аппарата. Ведь он дал нам массу полезных знаний о планетах, находящихся вне Солнечной системы, и еще даст.
Когда говорят о миссии «Кеплера», чаще всего упоминают лишь об обнаружении экзопланет. Тем не менее научная цель астрономического спутника «Кеплер» - изучение структуры и разнообразия планетарных систем. Вероятность обнаружить планету среди звезд, находящихся на расстоянии многих световых лет от Земли, очень маленькая. В силу этого исследованию необходимо подвергнуть очень большое число звездных систем. Таким образом, задача «Кеплера» состоит в следующем:
- Определение количества планет, как похожих на Землю, так и более крупных, находящихся в так называемой «зоне Златовласки» - расстоянии от звезды, при котором на планете теоретически возможна жизнь.
- Вычисление орбит и размеров этих планет.
- Оценка количества планет, которые находятся в системах с количеством звезд более одной.
- Определение характеристик планет-гигантов и их орбит.
- Подробное изучение звезд, в системах которых обнаружены планеты.
СОЗДАНИЕ И УСТРОЙСТВО
Созданием астрономического спутника «Кеплер» занимались не только специалисты NASA. К проекту было привлечено несколько частных компаний, специализирующихся на аэрокосмическом оборудовании. Основным инструментом исследования глубин галактики является уникальный фотометр, созданный, как и остальные детали аппарата, усилиями специалистов первичного подрядчика, компании Ball Aerospace & Technologies.
Устройство представляет собой массив выпуклой формы, который состоит из 42 ПЗС-матриц вроде тех, что используются в цифровых фотоаппаратах. Каждая такая матрица имеет разрешение 2200x1024 точки. Суммарное же разрешение фотометра составляет 95 мегапикселей, а площадь - 0,708 м2. Еще четыре матрицы находятся по углам массива, что обеспечивает точное позиционирование. Физические размеры каждой матрицы составляют 50x25 мм, что больше матрицы полнокадрового фотоаппарата (36x24 мм).
Все матрицы объединены попарно в модули размером 50x50 мм. Каждый модуль имеет два вывода для передачи данных, так что шина состоит из 84 выводов. Полоса пропускания приемника - 430-890 нм, что позволяет наблюдать звезды с 9-й по 16-ю звездную величину. Масса в сборе составляет 478 кг - почти половину массы всего астроспутника. Несмотря на чрезвычайную надежность оборудования, один из модулей фотометра все же сломался 12 января 2010-го года.
Полная масса спутника составляла на момент запуска чуть больше тонны - 1052,4 кг. Основную долю в ней занимает сам космический аппарат - 562,7 кг. Он обеспечивает питание, ориентирование и телеметрию для фотометра. Залог успеха миссии - точное позиционирование, так как «Кеплер» должен постоянно наблюдать за одной и той же группой звезд, находящихся в одном из рукавов нашей галактики. Длина аппарата - 4,7 м, а диаметр цилиндрического корпуса -около 2,7 м. Масса топлива для маршевых двигателей на основе гидразина составляет всего 11,7 кг.
Питание всех систем космического аппарата обеспечивают солнечные батареи. Их суммарная площадь составляет 10,5 м2, а мощность -1100 Вт. Батареи состоят из объединенных в массив 2860 элементов. Энергия не просто вырабатывается солнечными батареями и тут же расходуется: для ее накопления используются литий-ионные аккумуляторы, емкость которых составляет 20000 мАч.
Бортовой компьютер «Кеплера» не только управляет работой всех его систем. Каждые 30 секунд он суммирует данные, получаемые с сенсоров фотометра раз в 6 секунд, и сохраняет их в памяти. Объем встроенной памяти позволяет хранить результаты, полученные в течение 60 дней, хоть пересылка пакетов на Землю осуществляется и в два раза чаще.
ЗАПУСК И ИССЛЕДОВАНИЯ
6 марта 2009-го года в 22:49 по местному времени с космодрома на мысе Канаверал стартовала ракета-носитель Delta II. Изначально запуск был запланирован на 2006-й год, но он дважды откладывался из-за финансовых трудностей: совокупная стоимость проекта составляет почти 500 млн. долларов. За время, прошедшее с момента предполагавшегося первоначально запуска до фактического старта, устройство «Кеплера» успело претерпеть кое-какие незначительные изменения.
Уже 8 апреля 2009-го года аппарат сделал первые снимки с орбиты. Ракета-носитель вывела аппарат на гелиоцентрическую орбиту. Примерное расстояние от «Кеплера» до Солнца - 1,013 а. е., а период обращения составляет 372,5 суток. На первой фотографии было примерно 4,5 млн. звезд, находящихся в области созвездий Лебедя и Лиры. Первая серия данных позволила обнаружить, что вокруг яркой звезды TrES-2 вращается газовый гигант. Примечательно, что это произошло еще до окончания калибровки аппаратуры.
Первые же исследования показали возможности «Кеплера». Теоретически он способен обнаруживать даже спутники планет, масса которых превышает 20% земной. Тем не менее данные, полученные с «Кеплера», требовали тщательной обработки. К началу 2010-го года исследования принесли новые результаты. Уже 4 января 2010-го года было объявлено об открытии Kepler-4b, Kepler-5b, Kepler-6b, Kepler-7b и Kepler-8b - пяти новых экзопланет («горячих Юпитеров»).
Лишь 15 июля того же года были опубликованы результаты обработки данных, собранных за первые 43 дня. Обработку этой части и всех последующих проводили ученые из Исследовательского центра Эймса. Среди 706 обнаруженных планет ученых больше всего заинтересовали 306 кандидатов.
На сегодняшний день обработаны далеко не все данные, полученные за время активных наблюдений телескопа, -примерно лишь за первый год. По состоянию на февраль 2013-го года, всего «Кеплером» было открыто 2740 планет-кандидатов (то есть объектов, которые потенциально могут быть планетами), 2165 двойных звездных систем и 114 подтвержденных экзопланет. Вполне возможно, что среди них есть и населенные. Правда, пока мы не можем это ни подтвердить, ни опровергнуть.
ЧТО ДАЛЬШЕ?
Придется признать, что жить «Кеплеру» осталось недолго. Даже если ученым удастся найти способ его реанимировать в полной мере, то не исключены новые поломки. Впрочем, данных, собранных им за время активной работы, хватит еще на несколько лет. Хотя с каждым годом компьютеры способны обрабатывать информацию все быстрее и быстрее.
Для того чтобы система из группы кандидатов подверглась дальнейшим исследованиям, ее нужно проверить одним из наземных телескопов. С помощью транзитного метода это делают SuperWASP (две обсерватории на Канарских островах и в ЮАР) и HAT-Net (шесть телескопов в Аризоне и на Гавайях). Методом Доплера звездные системы исследуют еще две обсерватории: HARPS (спектрограф в Чили) и обсерватория Кека (два телескопа на Гавайях). Еще один проект находится в стадии создания, а четыре - в разработке.
Есть все основания полагать, что через несколько лет, когда данные с «Кеплера» будут полностью исследованы, подобные миссии будут снова воплощаться в жизнь. Все же полмиллиарда долларов для такого важного дела, как поиск внеземной жизни, это ничто.
(с) Егор Калейник