Новейшая научная миссия Европейского космического агентства (ESA), Solar Wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer (SMILE), стартовала на четырехступенчатой ракете Vega C из Французской Гвианы. SMILE, совместный проект ESA, Китайской академии наук (CAS) и ряда академических и коммерческих организаций, впервые сделает глобальные снимки магнитосферы Земли в мягком рентгеновском диапазоне и зафиксирует ее реакцию на мощный солнечный ветер.
Старт ракеты Vega C по северной траектории к высокоэллиптической орбите с наклонением 73 градуса состоялся с космодрома Куру во Французской Гвиане. Запуск, первоначально запланированный на 9 апреля, был отложен из-за технической проблемы на производственной линии одного из компонентов.
Это был первый запуск Vega C с компанией Avio в качестве поставщика, заменившей Arianespace, которая ранее эксплуатировала этот носитель. Модуль полезной нагрузки был разработан компанией Airbus в Мадриде, а космический аппарат, включая систему энергоснабжения, управления ориентацией и двигательную установку, предоставлен CAS.
Первая ступень Vega C оснащена твердотопливным двигателем P120C, развивающим максимальную тягу 4 323 кН. Этот цельный твердотопливный двигатель является крупнейшим и самым мощным из когда-либо разработанных, превосходя по этому показателю двигатель P80FW, использовавшийся на оригинальной ракете Vega. Двигатели P120C также применяются в качестве боковых ускорителей на ракете Ariane 6.
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 Attitude Vernier Upper Module (AVUM) служит четвертой ступенью ракеты и является единственной жидкостной ступенью. Разработанный Avio, этот верхний блок способен к многократным включениям и предназначен для вывода полезной нагрузки на точные орбиты, а также для управления вращением и ориентацией.
Vega C вывела SMILE на низкую околоземную орбиту высотой 700 км. После отделения аппарат с помощью одиннадцати включений собственного двигателя выйдет на научную орбиту. Космический аппарат SMILE имеет один двигатель тягой 490 Н и несет 1580 кг топлива. Для управления ориентацией SMILE оснащен двумя выдвижными солнечными батареями и 12 двигателями.
Магнитосфера Земли, представляющая собой область пространства, доминируемую магнитным полем планеты, является единственной защитой от мощных космических явлений. Солнце постоянно излучает огромное количество энергии, часто в виде солнечного ветра, который взаимодействует с магнитосферой Земли.
Космический аппарат SMILE массой 2 300 кг с помощью четырех научных приборов будет изучать реакцию Земли на солнечный ветер. Миссия призвана ответить на три ключевых вопроса: что происходит на границе солнечного ветра и магнитного щита Земли, каковы причины магнитных «сбоев» на неосвещенной стороне планеты и как можно заблаговременно предсказывать наиболее опасные магнитные бури.
SMILE станет первым аппаратом, который проведет детальные длительные рентгеновские наблюдения магнитного поля Земли и зафиксирует северное сияние, возникающее в результате взаимодействия заряженных частиц с магнитосферой, в течение 45 часов непрерывно. Для таких длительных наблюдений требуется высокоэллиптическая орбита. На апогее SMILE достигнет высоты 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 научные данные на наземную станцию O’Higgins в Антарктике.
Крупнейшим прибором на борту аппарата является детектор мягкого рентгеновского излучения (Soft X-ray Imager, SXI), разработанный Университетом Лестера в сотрудничестве с Британским космическим агентством (UKSA) и ESA. SXI будет регистрировать рентгеновские лучи, возникающие при столкновении тяжелых ионов солнечного ветра с нейтральными частицами в экзосфере Земли. Этот процесс, известный как перезарядка солнечного ветра (solar wind charge exchange, SWCX), позволит получить первые глобальные рентгеновские изображения магнитосферы Земли. Телескоп с широким полем обзора, использующий микропоровую оптику (MPO), позволит спектрально картировать положение, форму и движение ударной волны, полярных каспов и магнитопаузы магнитосферы, которые постоянно меняются под воздействием солнечного ветра.
«Глобальные модели взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой предсказывают места возникновения излучения», — пояснил доктор Стивен Сембей, главный исследователь SXI. «Поскольку солнечный ветер не может проникнуть в магнитосферу, мы ожидаем, что магнитопауза будет выглядеть как четкая граница между сильным излучением вне магнитопаузы и слабым внутри нее.»
«Мы с нетерпением ждем, насколько сильным будет излучение, когда и как быстро будет перемещаться магнитопауза в ответ на изменения давления солнечного ветра и/или силы и направления межпланетного магнитного поля. Мы так же рады работать с другими командами, разрабатывающими приборы для SMILE, чтобы построить глобальное представление о динамичной магнитосфере и улучшить наше понимание космической погоды в непосредственной близости к Земле.»
Телескоп оснащен двумя крупнейшими в истории космическими рентгеновскими зарядовыми устройствами (CCD). Для минимизации шума эти CCD требуют температуры -120 градусов Цельсия и оснащены радиационным затворным механизмом, который защищает их при прохождении через радиационные пояса Ван Аллена.
«Из-за ограничений по доступной мощности мы разработали пассивную систему охлаждения и конструкцию [для CCD], которая термически изолирует плоскость детектора от теплового потока от остальной части космического аппарата», — объяснил доктор Сембей. «Из-за относительно большого отверстия телескопа и необходимости использования массива микропоровой оптики для достижения широкого поля обзора, невозможно пассивно защитить детекторы от радиационного повреждения в такой же степени, как современные рентгеновские телескопы, используемые в астрофизике, которые имеют гораздо более узкое поле обзора.»
«Для защиты от радиационного повреждения используется механический затвор, который защищает CCD при прохождении космического аппарата через радиационные пояса Земли, а также сама конструкция CCD.»
Еще одним ключевым прибором SMILE является ультрафиолетовый импрессор (Ultraviolet Imager, UVI), разработанный Национальным центром космических наук Китая при участии ESA. Используя свою ультрафиолетовую камеру, UVI будет фиксировать свечение овала полярных сияний, окружающего северный магнитный полюс Земли. Во время геомагнитных бурь, вызванных выбросами корональной массы с Солнца, UVI будет непрерывно наблюдать за северным сиянием. Предыдущие аппараты могли наблюдать за полярными сияниями не более 15 часов подряд. Такое расширенное покрытие даст ученым более четкое представление о том, как геомагнитные бури вызывают и формируют проявления полярных сияний.
Дополняет приборы дистанционного зондирования анализатор легких ионов (Light Ion Analyzer, LIA), разработанный CAS. LIA будет определять свойства и поведение солнечного ветра, магнитосферного слоя и магнитосферных ионов в непосредственной близости от космического аппарата SMILE. Прибор представляет собой двухголовый электростатический анализатор, прикрепленный к SMILE.
Последним прибором в наборе научных инструментов SMILE является магнитометр (Magnetometer, MAG), разработанный совместно Национальным центром космических наук Китая и Институтом космических исследований Австрийской академии наук. Два трехмерных флюксгейтовых датчика, установленные на выдвижной штанге длиной три метра, будут измерять силу и направление солнечного ветра, а также фиксировать ударные волны и разрывы. Работая как градиентометр с датчиками, расположенными на расстоянии 80 см друг от друга, MAG может точно вычитать собственное магнитное поле космического аппарата, предоставляя данные in-situ, которые дополняют данные дистанционного зондирования.
SMILE является примером глобального научного сотрудничества, отмечая первый случай, когда ESA и Китай совместно выбрали, разработали и реализовали космическую научную миссию от первоначального предложения до этапа запуска. Данные, полученные с наземной станции O’Higgins в Антарктике, будут обрабатываться и распространяться по всему миру через открытые научные сети.
«Аппаратное обеспечение и полетное программное обеспечение SXI были разработаны тремя британскими учреждениями и учреждениями из Австрии, Норвегии, Испании, Швейцарии, а также при непосредственном участии Европейского космического агентства. Управление проектом осуществлялось Университетом Лестера как ведущим исследовательским учреждением при поддержке Британского космического агентства, с использованием отраслевых стандартов управления проектами и системной инженерии, а также с опорой на наш обширный опыт в космических проектах», — 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 во время будущих миссий на Луну и Марс. SMILE поможет сформировать более полное представление о влиянии солнечного ветра на магнитосферу Земли и о том, как она нас защищает. Более глубокое понимание опасной космической погоды позволит улучшить нашу способность предсказывать, когда и где произойдут эти интенсивные бури, и оценивать потенциальный ущерб инфраструктуре на Земле. Ожидается, что SMILE проработает три года и предоставит ученым наиболее точные и подробные магнитосферные данные на сегодняшний день.
«Мы часто удивляемся тому, что видим, когда исследуем Вселенную; ведь именно эта неопределенность и является причиной того, что мы строим эти инструменты», — сказал доктор Сембей.
