Сейчас, когда зонд Philae спит уже третий день, самое время подвести черту под выполненными научными исследованиями.
Зонд Philae оснащен десятью научными системами общей массой 26,7 кг. Их основные отличия от обычного, земного оборудования — меньший вес, компактность, автономность и отсутствие необходимости в обслуживании. Работа по миниатюризации проведена действительно титаническая: со времени создания аппарата прошло более десяти лет, но до сих пор многие приборы Philae легче их земных аналогов чуть ли не на порядок, также дела обстоят и с энергопотреблением. Кроме того, строгие требования предъявляются к рабочим температурам — аппаратура зонда функционирует штатно в диапазоне от –130 до +50 °С.
Предварительный итог научной работы в двух словах — головокружительный успех! Если не считать проблем с посадкой (точнее, фиксацией) спускаемого аппарата, все системы сработали превосходно. Несмотря на проблемы с энергией, зонд успел так или иначе выполнить все первоочередные научные задачи.
Под катом — подробное описание оборудования Philae, полученные результаты, много фотографий, пара слов о возникших проблемах и даже реальные данные телеметрии. (Осторожно, трафик!)
Все исследовательские системы Philae можно разбить на четыре группы:
- Аппаратура для наблюдения в видимом и ИК-диапазонах — CIVA, ROLIS.
- Устройства, внедряющиеся в ядро — SD2, MUPUS
- Приборы для анализа поверхности или отобранных проб — COSAC, Ptolemy, AXPS, SESAME
- Оборудование для исследований в масштабе всего ядра — CONSERT, ROMAP.
Рассмотрим их по порядку.
Аппаратура для наблюдения в видимом и ИК-диапазонах
CIVA (Comet IR & Visible Analyser) — система из семи камер разрешением 1 Мп каждая и ИК-спектрометра. Шесть камер позволяют получить полное 360° панорамное изображение, седьмая делает возможной и стереофотосъемку.
ИК-спектрометр служит для анализа образцов, изъятых с помощью SD2. Рабочий диапазон длин волн — 1–4 мкм, пространственное разрешение — 40 мкм.
Снимки CIVA уже, наверное, все видели, а о том, были ли сняты ИК-спектры, пока не сообщалось. Это зависит от того, проводился ли высокотемпературный пиролиз пробы (подробности в разделе о SD2).
Суммарная масса CIVA — 4 кг.
ROLIS (Rosetta Lander Imaging System) — фотокамера, установленная снизу спускаемого аппарата. Предназначена для съемки в процессе посадки и после нее. Позволяет навести бур SD2 в нужное место. Разрешение — 1 Мп, поле зрения 75/50° (переключается; после посадки разрешение получается 0,3 мм/пискель), камера черно-белая, но оснащена красными, зелеными, синими и ИК светодиодами подсветки, что позволяет получать цветные изображения. Минимальная рабочая температура — минус 150 °С. Поддерживается сжатие, причем степень сжатия может быть различной для разных участков снимка (Region-of-Interest coding). Масса устройства — 0,4 кг.
Камера отработала без нареканий. После посадки камера сфотографировала еще три разных места, правда не совсем ясно, каких — сразу после посадки, после первого «перелета» и после второго или сразу после посадки, после второго «перелета» и после поворота платформы.
Устройства, внедряющиеся в ядро
SD2
SD2 — инструмент для бурения, отбора и распределения грунта. Длина бура — 581,6 мм, диаметр — 12 мм, максимальная глубина бурения — 230 мм. Бур сделан из алюминиевого сплава с алмазным напылением, максимальный предел прочности породы — 50 МПа. Рабочее напряжение — 28 В.
Устройство делает отверстие в грунте заданной глубины, отбирает порцию породы объемом 10–40 мм² с его дна и помещает в нагревательную ячейку (печь). Бурение производится через отверстие в днище аппарата, место можно выбрать при помощи камеры ROLIS. Зонд имеет 26 ячеек для нагревания образцов, шестнадцать из них поддерживают температуру до 800 °C (для пиролиза пробы), оставшиеся 10 — до 180 °C (для испарения/мягкого разложения). При нагревании в последних есть возможность провести ИК-спектрометрию с помощью устройства CIVA из-за наличия в них прозрачных сапфировых призм.
Существовал риск того, что аппарат оторвется от кометы при бурении, однако было решено его провести, поскольку без выемки грунта с глубины научные задачи нельзя было считать решенными. Бурение было произведено днем 14.11 и заняло два часа. Бур был опущен на максимальную глубину и, судя по всему, успешно отобрал пробу грунта.
Поскольку была отобрана только одна проба, надо было принять решение, направлять ли ее на анализ в устройство COSAC или Ptolemy. Команда миссии отдала предпочтение COSAC — главным образом потому, что информация с него лучше дополняет данные, полученные с помощью инструментов орбитальной станции (определение неорганических соединений с орбиты провести проще, чем органических). Ptolemy же оставалось довольствоваться анализом пыли, что тоже очень неплохо.
Образец был обработан термически (температуру пока не уточнили) и направлен на анализ. Выемка, обработка, транспортировка и анализ прошли в штатном режиме, о проблемах не сообщалось. Удалось ли получить микрофотографии образца и ИК-спектры с помощью устройства CIVA, еще не уточняется.
Выдвинута трубка для отбора грунта:
Стрелками отмечены ячейки для печек:
Печь с сапфировой призмой:
Ведутся испытания:
MUPUS
MUPUS (MUlti-PUrpose Sensors for Surface and Sub-Surface Science) — датчики для измерения температурных и механических свойств ядра кометы на глубине 0–32 см.
На гарпунах, которые не сработали, были установлены акселерометры для определения прочности и твердости поверхности ядра и термометры для определения температуры грунта.
На зонде — ИК-камера MUPUS TM для удаленного определения температуры поверхности ядра. (К сожалению, не нашел подробностей относительно этого устройства.)
По полутораметровой механической руке движется пенетратор, забиваемый в ядро кометы механическим молотом. Максимальная глубина проникновения — 32 см. Пенетратор оснащен термометром и датчиком теплопроводности, позволяющими строить соответствующие профили ядра по мере углубления устройства, а по скорости забивания можно судить о твердости грунта. Извлечение зонда не предусмотрено (только естественным образом в процессе эрозии ядра кометы).
Вбить зонд в твердый грунт в космосе — не такая простая задача. Классическим решением является пиропатрон, но он не позволяет исследовать грунт послойно в процессе забивания. В устройстве MUPUS используется тридцатиграммовый груз, ускоряемый магнитным полем до 8 м/с. После удара пружина, на которой подвешен груз, возвращает его в начальное положение.
Результаты
ИК-камера TM показала «очень холодную отвесную стену перед зондом». Проанализированы суточные колебания температуры — поверхность ядра быстро нагревается под прямыми солнечными лучами и быстро остывает, когда их нет. Датчики находящихся в тени зонда гарпунов также фиксируют суточные колебания температуры.
При выдвигании устройства температура пенетратора понизилась и были замечены некоторые изменения в работе других приборов — видимо, при этом Philae немного передвинулся и/или на стержень что-то налипло. Поскольку на основе показаний с ИК-камеры ожидался рыхлый поверхностный слой («наверное, маленькие зерна минералов или органическая пыль вроде табачного пепла»), молот был включен в режиме минимальной мощности, однако успеха это не принесло. Даже после переключения на третий, максимальный расчетный режим, стержень не начал входить в ядро. Команда приняла решение активировать недокументированный четвертый режим, который они назвали «отчаянным». К сожалению, после семи минут безуспешных попыток молот вышел из строя. Таким образом, предел прочности поверхности ядра явно превышает 2 МПа (для сравнения, предел прочности льда — 0,7–3 МПа, бетона — 2–5 МПа, гранита — 5–20 МПа). Гарпуны рассчитаны на 8–10 МПа, так что неизвестно, вошли бы они в грунт, если бы выстрелили. Если бы вошли, их датчики дали бы нам достаточно ценную информацию.
Верным ли было решение «забивать до последнего»? Если зонд больше не проснется, то конечно. Если проснется, будет немного обидно — вдруг пенетратор просто попал на какой-то твердый участок.
Приборы для анализа поверхности или отобранных проб
COSAC – один из основных инструментов зонда, хромато-масс-спектрометр (газовый хроматограф с катарометрическим и масс-спектрометрическим детекторами). Газ-носитель хроматографа — гелий. Устройство позволяет проводить определение различных органических веществ, таких как спирты, амины, карбоновые кислоты, аминокислоты и др. Хроматограф оснащен восемью раздельными колонками и двумя детекторами — простым катарометрическим (неселективный прибор, детектирование вещества по изменению теплопроводности газа, был выбран потому, что никак не изменяет образец в процессе исследования) и времяпролетным масс-спектрометром с ионизацией электронным ударом, позволяющим определять состав проходящего вещества. Весь газ из колонок направляется в катарометр, а затем из части колонок (по требованию) — в масс-спектрометр.
Анализ с помощью COSAC был произведен непосредственно после бурения и обработки. Режимы обработки и анализа пока не обнародованы, но сообщений о проблемах не поступало.
Ptolemy — газовый хроматограф с масс-спектрометром для определения изотопного состава. Детектор — квадрупольный ионно-циклотронный (ion trap). В отличие от COSAC, предназначен главным образом для определения легких элементов — водорода, углерода, азота и кислорода и соотношения их изотопов.
Так как полученный SD2 образец грунта был направлен в COSAC, Ptolemy анализировал только собранную пыль («concentrated sniff»).
Масса устройства — 5 кг (для сравнения, серийно выпускаемые масс-спектрометры с ионной ловушкой весят от 60 кг до ста и более).
APXS (Alpha Proton X-Ray Spectrometer) — альфа-протон-рентгеновский спектрометр, предназначенный для определения элементного состава поверхности ядра. Состоит из альфа-радиоактивного источника (кюрий-244) и детекторов альфа-частиц и рентгеновского излучения. Спектроскопия альфа-частиц основана на явлении резерфордовского обратного рассеяния и позволяет определять углерод, азот, кислород. Детектор рентгеновского излучения позволяет определять более тяжелые элементы — от натрия до цинка.
APXS — must-have для спускаемого аппарата: малая масса (всего 640 грамм!), низкое энергопотребление (1,5 Вт, т. к. фактически эксперимент обеспечивает энергией радиоактивный распад) и универсальность делают его практически незаменимым. Единственный заметный минус — длительность исследования измеряется часами.
Philae произвел анализ поверхности с помощью APXS на третьем, последнем месте посадки. Информации о том, насколько удачно, пока нет.
SESAME (Surface Electric Sounding and Acoustic Monitoring Experiments) — 3 прибора для измерения свойств внешних слоёв кометы:
- CASSE (Cometary Acoustic Sounding Surface Experiment) — эксперимент по акустическому исследованию поверхности кометы,
- PP (Permittivity Probe) — исследование её электрических характеристик, что позволяет определять количество льда на глубине до 2 м,
- DIM (Dust Impact Monitor) определяет пыль и частички льда, оседающие на поверхность ядра.
К сожалению, устройства CASSE расположены в ногах зонда и успешность измерения напрямую зависит от того, все ли ноги стоят на поверхности, и если нет, то какие именно.
Информация о результатах работы SESAME пока не обнародована.
Оборудование для исследований в масштабе всего ядра
CONSERT (Comet Nucleus Sounding Experiment by Radiowave Transmission) — радар для проведения томографии ядра кометы. Эксперимент заключается в измерении задержки и ослабления электромагнитных волн по пути от орбитальной станции до Philae и обратно.
Исследование было проведено успешно, несмотря на почти разрядившийся к тому моменту аккумулятор, однако очевидно, что небольшая длительность измерения не позволила сделать томограмму полно и точно — орбитальный аппарат физически не успел сделать нужное количество витков. Побочным эффектом эксперимента является определение местоположения зонда — возможно, это поможет его отыскать на снимках с Розетты.
ROMAP (Rosetta Lander Magnetometer and Plasma Monitor) — магнитометр и детектор плазмы для изучения магнитного поля ядра кометы и его взаимодействия с солнечным ветром. Также позволил следить за процессом посадки.
Пока обнародованы только данные относительно посадки.
Что (пока) не удалось сделать
- Выстрелить гарпунами. Единственная действительно серьезная проблема миссии. Причина, по-видимому, в использовании в пиропатронах нитроцеллюлозы, которая, согласно последним исследованиям, в вакууме ненадежна. Проблема обидная, поскольку заменить состав на что-то другое можно было без проблем. Остальные недоработки — следствия вызванного перелетами недостатка энергии.
- Не удалось произвести анализ материала ядра с помощью Ptolemy — бурить второй раз не было ни времени, ни желания (незакрепленный зонд вполне мог куда-нибудь улететь).
- Не успели как следует просветить ядро радаром.
- Не удалось ввести PEN в ядро — поверхность оказалась гораздо тверже, чем ожидалось. В общем-то ничьей вины здесь нет, MUPUS отработал согласно спецификациям.
- Запустить прижимные двигатели тоже не удалось, но вряд ли это проблема, раз гарпуны не сработали.
Предварительный итог
Несмотря на проблемы с фиксацией и питанием, зонд блестяще справился с подавляющим большинством первоочередных задач. Когда я услышал о том, что зафиксировать зонд не удалось и он отправился в незапланированный полет, я и не надеялся, что всё так удачно закончится. Десять сложнейших научных устройств, летящих больше десяти лет, пролетевших шесть с лишним миллиардов километров — и все десять отработали, как швейцарские часы. Искренне рад за ESA — прекрасная работа, это были восхитительные пятьдесят семь часов.
Закончить статью хотелось бы стихотворением:
Now Philae down to sleep
We pray a sunbeam soon to sweep
And if the hibernation break
We have more science yet to make
— Exclamation Snark (@BadPhysics) 14 ноября 2014
Автор: Hilbert
