Прощание с «Кассини»: межпланетная станция сгорела в атмосфере Сатурна. Зонд "кассини" отправился в последний полет между сатурном и его кольцами

Через несколько часов одна из самых длительных, дорогих и успешных космических миссий в истории изучения космического пространства завершит свой путь, сгорев в атмосфере самой эффектной планеты-гиганта, Сатурна. Отработавший почти 20 лет аппарат Cassini передаст последние уникальные данные. сайт рассказывает об истории и ключевых открытиях этого удивительного аппарата.

Название и разработка

Нужно сразу сказать, что называть миссию просто Cassini неверно. Правильное название совместного детища NASA, ESA и Итальянского космического агентства - Cassini–Huygens. Орбитальный аппарат, который разрабатывали в США, получил имя в честь Джованни Доменико Кассини, который открыл четыре спутника Сатурна (так называемые «звезды Людовика»: Япет, Рею, Тефию и Диону) и щель между кольцами - щель Кассини; спускаемый аппарат назвали Huygens, в честь Христиана Гюйгенса, который построил математическую модель колец Сатурна и объяснил фазы планеты. Итальянское же космическое агентство самостоятельно разрабатывало и строило антенну дальней космической связи, при помощи которой зонд связывается с Землей.

Джованни Доменико Кассини

Wikimedia Commons

Это был один из первых опытов сотрудничества Европы и Америки в космосе и, пожалуй, самый дорогой. Общая стоимость миссии - 3,26 миллиарда долларов США, из которых 2,6 миллиарда потратило NASA, 500 миллионов - и 160 миллионов отдала Италия (для сравнения: стоимость первой (успешной) индийской миссии к составила всего 70 миллионов). Это был очень большой аппарат: стартовая масса комплекса составила 5712 килограммов. За всю историю беспилотного изучения планет только три миссии были тяжелее, и все советские. «Фобос-1», «Фобос-2» и так и не покинувший окрестности Земли «Марс-96».

Сборка аппарата в NASA

Идея создать тяжелый аппарат (так называемого класса «Флагман»; среди аппаратов этого уровня юпитерианский Galileo и марсианский Curiosity) возникла еще в 1980-х годах, после того как мимо Сатурна пролетели аппараты Voyager. В создании аппарата участвовало 27 стран. Новый тяжелый зонд со спускаемым аппаратом и большим запасом плутония для получения электричества (в районе Сатурна уже очень мало света, и запитывать приборы электричеством приходится при помощи РИТЭГа - радиоизотопного термоэлетрического генератора, в котором тепло от распада плутония напрямую превращается в электрическую энергию) отправился к Сатурну 15 октября 1997 года фантастически красивым ночным стартом.

Запуск Cassini

Во время перелетов от планеты к планете прямой путь самый невыгодный: очень много приходится тратить горючего, поэтому космические аппараты всегда используют так называемые гравитационные маневры, разгоняясь в гравитационном поле других планет. Вот и Cassini сразу после старта отправился… к Венере. Да, иногда для экономии приходится лететь в противоположном направлении. Первые три гравитационных маневра аппарат совершил у второй и третьей планет Солнечной системы. 26 апреля 1998 года и 24 июня 1999 года зонд дважды пролетел мимо Венеры, а 18 августа 1999 года навестил и нашу Землю, параллельно протестировав свои фотокамеры и сделав роскошный портрет Луны.

Фотография Луны, сделанная во время третьего гравитационного маневра Cassini

Вихрь на северном полюсе Сатурна

Конечно же, большое количество исследований было посвящено кольцам Сатурна. Некоторые из них (например, дуга Анте или кольцо Паллене) были открыты самим Cassini.

Сегодня автоматическая межпланетная станция «Кассини» закончила свой космический путь, который длился без малого 20 лет. Станция сгорела в атмосфере Сатурна, но до последнего момента передавала NASA информацию со своих датчиков.

Аппарат вошёл в атмосферу одной из самых крупных планет Солнечной системы ещё 17 августа. Миссия «Кассини» заключалась в исследовании Сатурна, сборе данных об атмосфере, скорости ветра и температуры на поверхности планеты.

Дитя холодной войны

История грандиозной по своему масштабу миссии «Кассини-Гюйгенс» началась в 1982 году, когда Европейский научный фонд и Американская национальная академия наук объединили усилия для совместных исследований. Тогда европейские учёные предложили два совместных проекта: отправку спутника на орбиту Сатурна и зонда на поверхность спутника планеты — Титана. К 1986 году удовлетворительное заключение о потенциале этих миссий выдали NASA и Европейское космическое агентство (ЕАК).

Хотя проект исследования Сатурна и его спутника носил исключительно научный характер (в отличие от многих других космических проектов, которые были прямо или косвенно связаны с военными разработками), здесь также не обошлось без политики. В те годы NASA мало считалось с европейскими коллегами, принижая их научный и исследовательский потенциал, и европейские исследователи космоса охотно шли на сотрудничество с Советским Союзом. Достаточно отметить, что первый космонавт Франции отправился в полёт на советском корабле «Союз Т-6».

В NASA решили, что пора исправлять ситуацию и нужно протянуть руку дружбы европейским коллегам, так как советская конкуренция в космической отрасли ощущалась всё сильнее. Так на свет появился проект «Кассини-Гюйгенс».

Долгая дорога в космосе

После окончания холодной войны проект собирались свернуть, но NASA настояло на его продолжении: в агентстве опасались, что отказ от «Кассини-Гюйгенса» сильно разочарует европейских коллег, а это могло сказаться и на других сферах сотрудничества.

15 октября 1997 года аппарат, над которым трудились представители 15 государств, отправился в полёт с мыса Канаверал. Обе идеи — выход на орбиту Сатурна и исследование Титана — объединили в одну концепцию «Кассини-Гюйгенс», где «Кассини» — название орбитальной станции, а «Гюйгенс» — аппарата, предназначенного для спуска на Титан.

Полёт к Сатурну продолжался несколько лет. Можно было бы сказать, что он сопровождался «множеством приключений», но все они являлись частью сложных расчётов, в которых принимали участие сотни специалистов. «Кассини-Гюйгенс» использовал для манёвра и ускорения гравитационное поле Венеры, с большим риском проходил сквозь пояс астероидов и лишь в 2004 году достиг лун Сатурна.

• JPL-Caltech

В декабре 2004 года зонд «Гюйгенс» отделился от аппарата и направился к Титану, где совершил посадку 14 января 2005 года. А «Кассини» вышел на орбиту Сатурна.

Времена года, гейзеры и космическая пыль

Благодаря «Кассини» было совершено множество открытий, не говоря уже о фотографиях, которые были сделаны в том числе во время полёта аппарата к Сатурну. К примеру, учёным удалось получить самый детальный портрет Юпитера.

• Юпитер
• globallookpress.com
• NASA/ZUMAPRESS.com

В 2011 году аппарат смог снять ураган, который обогнул Сатурн и замкнулся, образовав кольцо в атмосфере планеты. Благодаря «Кассини» были обнаружены ранее неизвестные спутники Сатурна, которые вращаются вместе с его кольцами: Метона, Паллена, Эгеон и другие.

Самым впечатляющим из открытых спутников Сатурна оказался Энцелад: к 2014 году на его поверхности насчитали более ста гейзеров.

• Энцелад
• JPL-Caltech/Space Science Institute

По мнению учёных, под ледяной поверхностью Энцелада может находиться вода. Теоретически это говорит о возможности существования жизни на спутнике Сатурна.

Доставленный с помощью «Кассини» на поверхность Титана «Гюйгенс» проработал очень недолго. Но за те 219 минут, в течение которых «Кассини» принимал его сигнал, «Гюйгенс» успел передать около 350 фотографий Титана и множество данных о поверхности и атмосфере планеты.

«Кассини» продолжал удивлять даже в последние месяцы своей работы. В мае 2017 года аппарат снял солнцестояние на Сатурне, которое происходит раз в 15 лет. Теперь учёным известно, что времена года на планете сменяются очень быстро.

«Во время миссии «Кассини» по наблюдению за солнцестоянием мы впервые с близкого расстояния проанализировали целый сезон на Сатурне. Система Сатурна значительно изменяется от зимы к лету, и благодаря «Кассини» мы наблюдали за этим событием «с первого ряда», — рассказала Линда Спилкер, научный сотрудник проекта из лаборатории реактивного движения.

Также благодаря «Кассини» было окончательно доказано, что между кольцами Сатурна нет пыли, а пространство между ними является «большой пустотой».

15 сентября 2017 г. в 04:55 PDT (11:55 UTC) Земля перестала слышать сигнал радиопередатчика Cassini. Завершив почти двадцатилетний полет и проработав более 13 лет в системе Сатурна, американский КА вошел в атмосферу планеты, до последней секунды передавая уникальные научные данные.

Cassini был запущен 15 октября 1997 г. и вышел на орбиту вокруг Сатурна 1 июля 2004 г. В течение 13 лет он сделал 293 витка вокруг планеты и совершил 162 близких пролета у ее спутников. Аппарат картировал их поверхности и измерял химический состав, отслеживал эволюцию сезонных процессов на Сатурне и Титане, изучал кольца планеты, ее магнитосферу, заряженные частицы и волны в космической плазме.

Краткий обзор орбитального «тура» Cassini, который продлился на девять лет больше изначально запланированного срока и состоял из нескольких последовательных миссий, был сделан в НК № 7, 2017.

«Великий финал» (Grand Finale) двадцатилетнего путешествия Cassini был задуман за семь лет до своего осуществления. Решение направить аппарат в атмосферу Сатурна было связано с опасениями за заражение земными микроорганизмами лун планеты - в особенности Энцелада с его подледным океаном, из которого бьют полярные гейзеры. Встреча с представителями земной биосферы, которые могли сохраниться в жизнеспособном состоянии на элементах конструкции КА, исказила бы облик местной жизни, если таковая имеется.

Последние пять месяцев

Начало финальной фазы экспедиции пришлось на исполняемый Cassini начиная с 11 апреля этап полетной программы S99. С 25 мая по 9 июля отрабатывалась командная последовательность S100, а с 10 июля и до конца – S101, в которую входило 10657 индивидуальных команд.

22 апреля 2017 г. состоялся последний целевой пролет Титана с гравитационным маневром, в результате которого нижняя точка орбиты КА сместилась под систему колец. Теперь аппарату предстояло сделать 22 витка по орбите наклонением от 62.4° до 61.7° с периодом 6.4 – 6.5 сут, каждый раз проходя в перицентре между видимой поверхностью и кольцами Сатурна и удаляясь примерно на 1.27 млн км от планеты в апоцентре.

Первый «нырок» состоялся 26 апреля на 271-м витке, когда Cassini пронесся на высоте 2800 км над вершинами облаков планеты на максимальной скорости 33.957 км/с. Область под кольцами оказалась практически свободна от пыли – прибор для регистрации радио- и плазменных волн RPWS отметил лишь несколько частиц размером 1 мкм и ниже. Это породило надежду на успех всех последующих пролетов и на выполнение научной программы, включающей картирование гравитационного и магнитного поля планеты, съемку и зондирование колец и поверхности Сатурна с минимальной дистанции и прямые измерения состава верхней атмосферы.

Из 17 первых пролетов самый низкий был 15 мая на высоте 2660 км, а самый высокий – 28 мая на высоте 3900 км над облаками Сатурна. Он также стал и самым глубоким проникновением КА во внутреннее кольцо D. Для изменения высоты перицентра между отдельными витками использовались пролеты Титана 23 мая на расстоянии 118 000 км и 10 июля на дальности 264 000 км, а также две небольшие коррекции. 10 мая был проведен маневр OTM-471 с приращением скорости всего 21 мм/с за счет включения двигателей на 14 секунд. Последняя коррекция OTM-472 была более значительной – 15 июля двигатели проработали 153.125 сек и изменили скорость КА на 143.64 мм/с.

11 августа Cassini прошел в 195 000 км от Титана, из-за чего высота перицентра КА уменьшилась на 1200 км. Поэтому в пяти последних пролетах КА «чиркал» по самой кромке атмосферы на высоте от 1710 км до 1630 км, и для поддержания ориентации использовались не маховики, а ЖРД малой тяги. Точные данные о высоте каждого из пролетов опубликованы не были; известно лишь, что рекордно низким был третий из них – 27 августа. Эти пять витков послужили репетициями финального входа Cassini в атмосферу.

При пересечении плоскости колец со скоростью от 33.6 км/с до 35.0 км/с Cassini, как правило, ориентировался остронаправленной антенной вперед по вектору скорости, чтобы защитить более «чувствительные» части от пылевых частиц. При «нырках» в кольцо D на 276-м и 277-м витках, однако, пыли оказалось мало, и на 281-м было решено этого не делать; аппарат благополучно прошел через самый нижний участок кольца и не пострадал. Большую часть пролетов Cassini отрабатывал в автономном режиме с последующим «донесением» о результатах, но на витках 273, 274, 275, 278, 280 и 284 вел прямую передачу на Землю во время пересечения плоскости колец.

Уже в первом пролете камера ISS произвела съемку Сатурна с разрешением в 10 раз лучше, чем за все предыдущие 13 лет. Съемки планеты, колец и спутников и зондирование их спектрометрами VIMS, CIRS и UVIS в различных комбинациях осуществлялись на всех последующих витках. В кольцах особый интерес представляли различные краевые эффекты, возмущения и малые нестабильности, известные под условным наименованием «пропеллеры». Их называли в честь великих летчиков XX века – Блерио, Сантос-­Дюмон, Эрхарт.

Из спутников чаще всего наблюдались Титан и Энцелад, особенно его южная полярная область с гейзерами, но нашлось время для съемки Дионы на 280-м витке и для совсем малых спутников. Крохотный Бебхионн – двойной объект диаметром всего 6 км, уходящий в апоцентре на 25 млн км от Сатурна, – был отснят на витках 272, 273, 276, 280 и 282. Вдвое более крупный 14-километровый Кивиук, у которого также подозревают бинарную природу, фотографировали 28 июля, 9 и 16 августа, а Трюмр – 23 августа и 3 – 4 сентября. Кроме того, 6 июня провели спектрометрирование звезды ε Ориона при затмении ее спутником Тетис (Тефия).

10 и 16 августа камера ISS пронаблюдала Нептун, оказавшийся на небе рядом с Кивиуком. Это означало, что Cassini сумел отснять восемь из девяти планет (включая Плутон, но исключая Меркурий).

Радиокомплекс использовался для определения характеристик гравитационного поля Сатурна и для просвечивания колец, а анализатор космической пыли CDA пытался «поймать» их вещество. Прибор RADAR осуществлял их сканирование с разрешением от 4 км до 100 м на 276-м и 277-м витках, а также изучал атмосферу Сатурна: на 288-м витке в пассивном режиме, а на 290-м и 292-м – в активном. Ученых интересовали концентрации аммиака в атмосфере ниже слоя аммиачных облаков как свидетельство погоды Сатурна.

292-й виток, он же 22-й в серии Grand Finale, начался прохождением апоцентра 5 сентября в 18:47 UTC бортового времени. 9 сентября в 00:09–00:14 аппарат последовательно прошел плоскость колец и перицентр орбиты и спустя 13 часов начал передачу на Землю полученной информации. 11 сентября, ближе к концу витка, Cassini испытал притяжение Титана. Пролет был из числа далеких – в 19:04 UTC аппарат прошел в 119 049 км над поверхностью спутника, – но гравитационное воздействие Титана уменьшило скорость КА на 29 м/с, в результате чего перицентр орбиты погрузился внутрь атмосферы Сатурна.

293-й виток начался 12 сентября в 05:27 UTC бортового времени. В последние двое суток аппарат провел съемки Титана и Энцелада, заходящего за северный горизонт Сатурна, планеты и отдельных деталей ее колец, в том числе уплотнения с условным именем Пегги на внешнем краю кольца A, которое, возможно, представляет собой формирующий малый спутник. Наконец, спектрометр VIMS и остальные оптические инструменты пронаблюдали район предстоящего падения Cassini. Последний снимок был сделан 14 сентября в 19:58 UTC.

В 21:45 UTC по времени прихода сигнала на Землю, что соответствовало 20:22 бортового времени, начался последний 14.5-часовой сеанс связи. Cassini передавал информацию на частоте 8.43 ГГц со скоростью 66 360 бит/с, освобождая в течение 11 часов от записанных данных свое твердотельное запоминающее устройство. До станции Сети дальней связи в Голдстоуне сигнал КА доходил с уровнем мощности -128.06 дБ, то есть 1.56.10-19 Вт. Последние фотографии были приняты и в необработанном виде оперативно размещены на сайте проекта Cassini.

Закончив сброс данных, 15 сентября в 07:14 бортового времени КА начал пятиминутный разворот в такое положение, чтобы масс-спектрометр ионов и нейтральных атомов INMS находился на передней части КА по направлению полета и мог непосредственно измерять состав верхней атмосферы Сатурна и его изменения по высоте. На Земле эстафету приняла 70-метровая антенна DSS-43 под Канберрой, способная поддерживать прием на скорости 124 426 бит/с. Cassini, однако, тут же переконфигурировал борт, чтобы в последние три с половиной часа научная информация уходила на Землю со скоростью 27 650 бит/с в почти реальном масштабе времени – спустя всего несколько секунд после получения ее на борту. Передача велась в X- и S-диапазоне с приемом на 70-метровую и – в порядке резервирования – на одну из 34-метровых антенн в Австралии. Кроме того, допплеровские наблюдения вела станция Нью-Норсия Европейского космического агентства.

Инструкции аппарату на заключительный этап полета были просты. Cassini подходит к планете со стороны северного полушария. Точка входа в атмосферу находится на дневной стороне в 10° севернее экватора. Аппарат должен вести измерения восемью из 12 приборов (масс-спектрометр INMS, спектрометры CIRS и UVIS, магнитосферные и плазменные инструменты MIMI, RPWS, MAG, датчик космической пыли CDA и высокостабильный генератор радиокомплекса) и передавать данные до последнего. Такую возможность обеспечат бортовые ЖРД тягой 0.5 Н, поддерживающие ориентацию остронаправленной антенны на Землю в пределах ±0.1° от заданной за счет выдачи коротких импульсов.

Баллистики прогнозировали, что Cassini почувствует воздействие разреженной верхней атмосферы Сатурна на высоте 1915 км над вершинами облаков и над уровнем давления 1 атм. Как и все такие границы, она была в известной мере условной. При полете вне атмосферы двигателям достаточно срабатывать раз в несколько минут, компенсируя лишь легкий разворачивающий момент от поля тяготения планеты. С ростом плотности газовой оболочки и скоростного напора разворачивающий момент и частота срабатывания должны расти. За условную точку входа приняли тот момент, когда скважность – доля времени, в течение которого работают ЖРД, – достигнет 10 %.

Чтобы справиться с воздействием атмо­сферы на выступающие элементы конструкции Cassini, прежде всего на 11-метровую штангу магнитометра, ЖРД будут постепенно увеличивать скважность от 10 % до 100 %. Этот этап займет примерно минуту, за которую земной аппарат спустится по пологой траектории до отметки 1500 км. Здесь возмущающие моменты от набегающего потока станут сильнее, чем стабилизирующие импульсы непрерывно работающих двигателей. Аппарат начнет разворачиваться, переходя в неуправляемое кувыркание, – и Земля уйдет с оси его антенны. Еще секунд через тридцать земной зонд начнет разрушаться, и пару минут спустя атмосфера планеты поглотит его обломки.

Последний опубликованный прогноз гласил, что Cassini начнет вход в атмосферу 15 сентября в 03:31 PDT (10:31 UTC) по бортовому времени и потеряет ориентацию минутой позже. Через 83 мин 27 сек после этого, в 04:55:16 PDT (11:55:16 UTC), последний сигнал КА достигнет Земли, и она перестанет слышать Cassini.

В целом этот прогноз сбылся: аппарат смог противостоять атмосфере Сатурна в течение 91 секунды, причем в последние 20 двигатели работали на 100 % своих возможностей. Полезный сигнал в X-диапазоне с научной информацией прервался в 11:55:39, а в S-диапазоне – в 11:55:47. По телеметрическим данным было видно, что в эти последние 8 сек Cassini начал медленно разворачиваться назад. Затем из принимаемого на Земле сигнала пропала телеметрия и осталась лишь несущая частота, но через 24 секунды перестала поступать и она. Зарывшись в атмосферу Сатурна на высоте 1391 км при скорости 34.449 км/с, земной аппарат прекратил свое существование.

«Это последняя глава удивительной миссии, но в то же время и новое начало, – провозгласил заместитель администратора NASA д-р Томас Цурбухен (Thomas Zurbuchen). – Открытие Cassini океанических миров на Титане и Энцеладе изменило все и до основания потрясло наши представления об удивительных местах для поиска жизни за пределами Земли».

«Пусть Cassini ушел от нас, но его научный дар оставит нас в работе на много лет, – пообещала научный руководитель проекта от JPL д-р Линда Спилкер (Linda J. Spilker). – Мы только слегка потерли поверхность того, что мы можем узнать из горы данных, которую он прислал нам за свою жизнь».

«Группа управления Cassini сделала абсолютно звездную работу, чтобы привести КА к его достойному концу, – отметил менеджер проекта Эрл Мейз (Earl H. Maize). – От разработки траектории семь лет назад до навигации в течение 22 душераздирающих нырков между Сатурном и его кольцами, именно эта фантастическая группа ученых и инженеров придумала должный конец для великого проекта».

За 20 лет полета Cassini преодолел 7.9 млрд км, получил и исполнил 2.5 млн команд в рамках 101 этапа полетной программы, провел 360 маневров и коррекций*, открыл шесть спутников Сатурна, сделал и передал на Землю 453 048 снимков, а всего 635 Гбайт научной информации, на основании которой к дню окончания экспедиции было опубликовано 3948 научных статей.

Зонд Cassini заснял свой последний полет мимо Энцелада, спутника Сатурна. Детальные снимки переданы на Землю в NASA.

Энцелад является одним из самых таинственных и интересных естественных спутников Сатурна. Его изучением с 2004 года занимается зонд Cassini, который запустили для исследования шестой планеты от Солнца и ее спутников. Недавно космический аппарат передал NASA фотографии Энцелада во время своего последнего полета мимо него.

В американском аэрокосмическом ведомстве рассказали, что благодаря зонду стало известно о потенциальной возможности существования на поверхности "ледяной луны" гейзеров. Именно по этой причине ученые начали тщательно изучать снимки в надежде обнаружить другие следы жидкой воды на Энцеладе. За 12 лет Cassini выяснил, что под ледяной поверхностью спутника скрывается огромный океан, в водах которого может существовать жизнь.

По расчетам экспертов в пятницу, 15 сентября, зонд Cassini завершит свою миссию и сгорит в плотных слоях атмосферы. За время своей работы аппарат совершил 22 витка вокруг второй по размеру планеты Солнечной системы. Межпланетная станция неустанно приближается к Сатурну, месту своей гибели.