Европейское космическое агентство (ESA) готовится к запуску своей новейшей научной миссии — Solar Wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer (SMILE) — с помощью четырехступенчатой ракеты Vega C из Французской Гвианы. SMILE, являющаяся результатом сотрудничества между ESA, Китайской академией наук (CAS) и различными академическими и коммерческими организациями, впервые сделает глобальные рентгеновские снимки магнитосферы Земли и покажет ее реакцию на мощный солнечный ветер.
Запуск Vega C запланирован на northward траекторию с выходом на высокоинклинированную орбиту под углом 73 градуса со стартового комплекса Ensemble de Lancement Vega (ELV) в Космическом центре Гвианы, Куру, Французская Гвиана, в 03:52 UTC во вторник, 19 мая. Производитель Vega C, компания Avio, перенесла запуск с 9 апреля из-за технической проблемы на производственной линии компонентов после интеграции аппарата VV29 с полезной нагрузкой.
Это будет первый запуск Vega C с Avio в качестве поставщика, заменившего Arianespace, которая ранее управляла этим ракетоносителем. Модуль полезной нагрузки был разработан Airbus в Мадриде, а CAS поставила модуль электропитания, системы ориентации и двигательный модуль космического аппарата.
Первая ступень ракеты, твердотопливный двигатель P120C, имеет максимальную тягу 4 323 кН. Этот цельный твердотопливный ракетный двигатель является самым крупным и мощным из когда-либо разработанных, ранее этот титул принадлежал двигателю P80FW, используемому в оригинальной ракете Vega. Аппарат Ariane 6 компании Arianespace также использует P120C в качестве боковых ускорителей в конфигурации с двумя или четырьмя ускорителями.
Вторая и третья ступени Vega C используют разработанные Avio твердотопливные ракетные двигатели Zefiro 40 и Zefiro 9 соответственно. Оба двигателя используют в качестве топлива порошкообразный алюминий, перхлорат аммония и гидроксил-терминированный полибутадиен.
Верхний модуль с двигателями коррекции (AVUM) служит четвертой ступенью ракеты и является единственной ступенью с жидкостным топливом. Разработанный Avio, верхний ступень способен к многократным перезапускам и предназначен для вывода полезной нагрузки на точные орбиты, а также для управления вращением и ориентацией. Оснащенный ракетным двигателем RD-843, ступень использует в качестве топлива несимметричный диметилгидразин и в качестве окислителя тетраоксид диазота.
Vega C выведет SMILE на круговую низкую околоземную орбиту на высоте 700 км, после чего двигательный модуль космического аппарата выведет его на научную орбиту с помощью одиннадцати включений двигателя. Космический аппарат SMILE имеет один двигатель мощностью 490 Н и несет 1580 кг топлива. SMILE оснащен двумя развертываемыми солнечными батареями и 12 двигателями для управления ориентацией.
Единственная защита Земли от мощной космической погоды — это ее магнитосфера, невидимая область пространства, в которой доминируют линии магнитного поля Земли. Солнце постоянно излучает огромное количество радиации, и часто эта радиация становится солнечным ветром, который взаимодействует с магнитосферой Земли.
SMILE, космический аппарат массой 2300 кг, будет изучать, как Земля реагирует на солнечный ветер, с помощью четырех научных приборов. Миссия направлена на ответы на три фундаментальных вопроса. Во-первых, что происходит там, где солнечный ветер встречается с магнитным щитом Земли? Во-вторых, что вызывает магнитные «сбои» на темной стороне Земли? И, наконец, как мы можем предсказывать самые опасные магнитные бури раньше?
SMILE станет первым аппаратом, который будет проводить детальные, длительные рентгеновские наблюдения магнитного поля Земли и наблюдать за северным сиянием — возникающим в результате взаимодействия заряженных частиц с магнитосферой Земли — в течение 45 часов за орбиту. Для наблюдения магнитосферы Земли в течение 45 часов на орбиту требуется высокоэллиптическая орбита. SMILE достигнет апогея в 121 000 км над Северным полюсом, что составляет треть расстояния до Луны. На перигее на высоте 5 000 км над Южным полюсом аппарат будет передавать свои научные данные на наземную станцию O’Higgins в Антарктиде.
Крупнейшим инструментом на борту космического аппарата является Soft X-ray Imager (SXI), разработанный Лестерским университетом в сотрудничестве с Британским космическим агентством (UKSA) и ESA. SXI будет детектировать рентгеновские лучи, возникающие при столкновении тяжелых ионов солнечного ветра с нейтральными частицами в экзосфере Земли — процесс, известный как зарядный обмен солнечного ветра (SWCX). Результаты позволят получить первые глобальные рентгеновские изображения магнитосферы Земли. Широкоугольный телескоп типа «глаз лобстера» использует микропорную оптику (MPO) для спектрального картирования местоположения, формы и движения ударной волны магнитосферы Земли, полярных каспасов и магнитопаузы, которые постоянно меняются из-за взаимодействия с солнечным ветром.
«Глобальные модели взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой говорят нам, где должны возникать выбросы», — объяснил NSF доктор Стивен Сембей, главный исследователь SXI, в интервью. «Поскольку солнечный ветер не может проникнуть в магнитосферу, мы ожидаем, что магнитопауза будет выглядеть как резкая граница между сильными выбросами за пределами магнитопаузы и слабыми выбросами внутри.»
«Мы рады узнать, насколько сильными будут выбросы, когда и насколько быстро магнитопауза будет двигаться в ответ на изменения давления солнечного ветра и/или силы и направления межпланетного магнитного поля. Мы с таким же нетерпением ждем совместной работы с другими командами, работающими над инструментами SMILE, чтобы построить глобальное представление динамической магнитосферы и улучшить наше понимание космической погоды в нашей непосредственной среде.»
Телескоп оснащен двумя крупнейшими в космосе рентгеновскими зарядовыми связными устройствами (ПЗС) с чувствительностью к рентгеновским лучам. Эти ПЗС требуют температуры -120 градусов Цельсия для минимизации шума и оснащены заслонкой радиационной защиты, которая защищает их при прохождении через радиационные пояса Ван Аллена.
«Из-за ограничений по доступной мощности нам пришлось разработать пассивную систему охлаждения и конструкцию [для ПЗС], которая теплоизолирует плоскость детектора от теплового потока от остальной части космического аппарата», — объяснил доктор Сембей. «Из-за относительно большого апертуры телескопа и необходимости в массиве микропорной оптики для достижения широкого поля зрения, невозможно пассивно защитить детекторы от радиационных повреждений в такой же степени, как современные рентгеновские телескопы, используемые в астрофизике, которые имеют гораздо более узкие поля зрения.»
«Снижение радиационных повреждений обеспечивается механической заслонкой, которая защищает ПЗС при прохождении космического аппарата через радиационные пояса Земли, а также конструкцией самих ПЗС.»
Еще одним ключевым инструментом SMILE является Ultraviolet Imager (UVI), разработанный Национальным центром космической науки Китая при участии ESA. Используя свою ультрафиолетовую камеру, UVI будет фиксировать светящийся овал полярных сияний, опоясывающий северный магнитный полюс Земли. Во время геомагнитных бурь — вызываемых выбросами корональной массы Солнца, достигающими Земли — UVI будет непрерывно наблюдать за северными сияниями. Предыдущие космические аппараты могли наблюдать за полярным сиянием не более 15 часов за раз. Это расширенное покрытие даст ученым гораздо более ясное представление о том, как геомагнитные бури приводят к формированию и изменению полярных сияний.
Дополняет приборы дистанционного зондирования прибор для измерения ионов в реальном времени (LIA), разработанный CAS. LIA будет определять свойства и поведение ионов солнечного ветра, магнитосферы и магнитосферного плазменного слоя в непосредственной близости от космического аппарата SMILE. Прибор представляет собой двусторонний электростатический анализатор, прикрепленный к космическому аппарату SMILE.
Последним прибором в научном комплекте SMILE является магнитометр (MAG), совместно разработанный Китайским национальным центром космической науки и Институтом космических исследований Австрийской академии наук. Два трехосевых флюксгейтовых датчика, установленных на развертываемой штанге длиной три метра, будут измерять силу и направление солнечного ветра, а также обнаруживать ударные волны и разрывы. Работая как градиентометр с датчиками, расположенными на расстоянии 80 см друг от друга, MAG может точно вычитать магнитное поле самого космического аппарата, предоставляя данные в реальном времени, которые дополняют приборы дистанционного зондирования на борту.
SMILE является примером глобального научного сотрудничества, знаменуя собой первый случай, когда ESA и Китай совместно выбрали, разработали и реализовали миссию по исследованию космоса от первоначального предложения до операций по запуску. Данные, передаваемые с наземной станции O’Higgins в Антарктиде, будут обрабатываться и распространяться по всему миру через сети открытой науки.
«Аппаратное обеспечение и бортовое программное обеспечение SXI были разработаны тремя британскими учреждениями и учреждениями из Австрии, Норвегии, Испании, Швейцарии, а также при непосредственном участии Европейского космического агентства. Управление осуществлялось Лестерским университетом как ведущим исследовательским учреждением при поддержке Британского космического агентства, с использованием стандартных для отрасли подходов к управлению проектами и системной инженерии, а также с опорой на наш обширный опыт в проектах космических полетов», — пояснил доктор Сембей.
Космическая погода не только влияет на наши электросети и спутники, но и представляет опасность для астронавтов на борту Международной космической станции и в будущих миссиях на Луну и Марс. SMILE поможет развить более полное понимание влияния солнечного ветра на магнитосферу Земли и того, как она нас защищает. Более глубокое понимание опасной космической погоды может улучшить нашу способность предсказывать, когда и где произойдут эти интенсивные бури, и оценивать потенциальный ущерб инфраструктуре на Земле. Ожидается, что SMILE будет работать три года и предоставит ученым самые точные и детальные данные о магнитосфере на сегодняшний день.
«Мы часто удивляемся тому, что видим, когда исследуем Вселенную; это неопределенность, в конце концов, и является причиной того, что мы создаем эти инструменты», — сказал доктор Сембей.
