Посадка в другой мир
Ровно 17 лет назад, 14 января 2005 года зонд Гюйгенс совершил первую в истории посадку на небесное тело внешней солнечной системы - спутник Сатурна Титан.
Пролетел он до этой прекрасной «планеты» аж 1.2 млрд км от земли! Ладно, пролетел он намного больше (позже обьясню почему), а вот расстояние между нашими телами в пространстве именно 1.2 ярда.
Давайте вспомним как это было. Напомню, на дворе 2005 год, вы еще ходите с кнопочными НОКИА, никаких соц сетей и Айфонов.
Но это еще пол беды, запуск зонда состоялся в 1997 году, а разрабатывать его начали примерно в мой день рождения, если не раньше.
Почему он так долго летел, спросите вы? Вес орбитального и посадочного зондов был слишком велик чтобы их можно было напрямую запустить к Сатурну. Помимо Гюйгенса у нас еще на борту Кассини который потом красиво сгорит атмосфере Сатурна, но о нем в следующем посту.
С 318 кг Гюйгенса общий вес аппарата составлял 2,5 тонны — даже с учётом того что ракета Titan 5 на котором летел Кассини-Гюйгенс имела на 40% большую полезную нагрузку чем Titan центравр на котором летели Вояджеры.
Поэтому аппаратам пришлось немало поскитаться по Солнечной системе, набирая скорость гравитационными манёврами для встречи с Сатурном: после старта 15 октября 1997 года, 5,7-тонная связка из двух аппаратов заправленных 2978 кг топлива отправились на встречу с Венерой.
Выполнив у неё 2 гравитационных манёвра 26 апреля 1998 года и 24 июня 1999 года (в которых они пролетали всего в 234 и 600 км от планеты соответственно), они 18 августа 1999 года вернулись ненадолго к Земле (пролетев от нас в 1171 км) после чего отправились уже к Юпитеру. Такая вот схема, бесплатно заюзали гравитацию, но потеряли во времени.
30 декабря 2000 года Кассини-Гюйгенс встретился с Юпитером.
Этот 4-й по счёту гравитационный манёвр наконец придал двум аппаратам достаточную скорость для встречи с Сатурном 1 июля 2004 года, к этому времени он уже пропутешествовал 3,4 млрд км. Помните в начале поста про расстояние 1.2 ярда?
Так вот, чтобы не терять понапрасну время — команда миссии использовала радиоантенны аппарата для уточнения эффекта Шапиро (это такое замедление распространения радиосигнала при движении его в поле гравитации тяжёлого объекта).
Точность измерений удалось увеличить с предыдущих результатов в 1/1000 у Викингов и Вояджеров до 1/51000. Опубликованные 10 октября 2003 года результаты полностью совпадали с предсказаниями общей теории относительности. Что неудивительно, Дядюшку Энштейна еще никто не смог подьебать за всю историю.
Ну чтож, пока опустим историю Кассини и сразу перейдем к Гюйгенсу. Сегодня же у него Юбилей, мать его.
Что было на борту у нашего зонда?
1) передатчик постоянной частоты предназначенный для измерения скорости ветра по доплеровскому эффекту (Doppler Wind Experiment — DWE)
2) датчики физических свойств атмосферы измеряющие плотность, давление и электрическое сопротивление атмосферы, а также датчики ускорений по всем трём осям позволяющий в купе с предыдущим прибором устанавливать плотность атмосферы (Huygens Atmospheric Structure Instrument — HASI)
3) камеры видимого и инфракрасного спектров, параллельно с получением картинок занимающиеся измерением спектра и освещённости на текущей высоте аппарата (Descent Imager/Spectral Radiometer — DISR)
4) пиролизёр аэрозольных частиц выполняющий нагрев проб взятых с двух различных высот, и перенаправлял их в следующий прибор (Aerosol Collector and Pyrolyser — ACP)
5) газовый хромато-масс-спектрометр измеряющий состав и концентрацию отдельных составляющих атмосферы Титана, а на последнем этапе — ещё и испарённого нагревателем верхнего слоя грунта (Gas Chromatograph Mass Spectrometer — GCMS)
6) набор приборов для измерения свойств поверхности, в которые входит акустический датчик измеряющий плотность/температуру атмосферы на последних 100 м спуска по свойствам отражённого поверхностью звука (Surface-Science Package — SSP).
Гюйгенс отделился от Кассини 24 декабря 2004 года, и к 14 января добрался до атмосферы Титана. Спуск в атмосфере занял 2 часа и 27 минут, в ходе которого в действие последовательно вступали тепловая защита аппарата и три его парашюта, но не простых, а сверхзвуковых, о них мы писали в предыдущих постах.
После посадки он ещё 72 минуты передавал данные с поверхности (пока зонд Кассини выполнявший роль ретранслятора сигнала не ушёл за горизонт).
Гюйгенс сделал просто охуевшие открытия для своего времени, а именно:
1) В ходе проведения измерений состава атмосферы с высоты 1400 км до самой поверхности, было установлено что слои атмосферы выше 500 км оказались теплее и плотнее ожидаемого, а средняя температура здесь составила -100°C с перепадами в 10-20°C. Не Сочи конечно, но для Титана сойдет.
На высоте в 250 км температура достигала максимума в -87°C (чуть выше минимума на Земле), и далее падала до -203°C на высоте 44 км. На поверхности было слегка "теплее" (-180°C) при давлении в 1,47 атмосфер земли.
2) Западные ветра на высоте 120 км достигали 430 км/ч, на высоте в 60 км аппарат попал в сильную турбулентность, после чего скорость ветра стала стабильно снижаться с 108 км/ч на 55 км, до 36 км/ч на высоте 30 км и 14 км/ч на 20 км. На высоте в 7 км направление ветра поменялось и дальше на зонд действовал лишь лёгкий ветерок в 1-3,5 км/ч. За время спуска аппарат снесло на 165,8 км относительно изначальной точки, дохера, но не забывайте, аппарат в 90е проектировался.
3) Солнечный свет должен был разрушать атмосферный метан в течении десятков млн лет, и учёных интересовал источник его пополнения. Измерения показали, что на высоте выше 40 км основу атмосферы составляет азот с небольшими вкраплениями метана, далее концентрация метана начинает подниматься и достигает ≈5% на высоте 7 км. Это стало первым косвенным доказательством наличия на Титане криовулканизма. На поверхности планеты прибор на борту GCMS также обнаружил следы более сложных углеводородов, таких как этан, циан и бензол.
4) Спускаясь в атмосфере, аппарат обнаружил наличие аргона -36 и 38, а также криптона и ксенона в атмосфере. Учёные предположили, что азот и благородные газы попали в атмосферу Титана в процессе его формирования, однако соотношение аргон -36/азот оказалось в миллион раз меньше того, что есть в атмосфере Солнца. Это говорит о том что азот попал в атмосферу Титана не в чистом виде, а в виде каких-то азотсодержащих соединений.
5) В атмосфере Титана обнаружилась 0,05% концентрация радиоактивного аргона -40, который также косвенно доказывал наличие криовулканизма (так как период его полураспада составлял 1,3 млн лет, и за время существования атмосферы он должен был почти весь распасться).
6) Коричневая дымка Титана, скрывающая его поверхность, оказалась аэрозолем метана, этана и цианистого водорода (весьма ядовитого вещества). Дымка обнаруживалась на всех высотах, с заметными концентрациями на высотах в 80, 30 и 21 км, а также метановые облака на высотах в 16 и 8 км.
7) На высотах 130-35 км и 25-20 км были взяты две пробы атмосферных аэрозолей. Было установлено, что их основными составляющими являются углерод и азот. Последующее воспроизведение свойств аэрозолей на Земле позволило установить, что на 80 км их основой является цианистый водород, на высоте 44 км им является этан, а на высоте 8 км основу его составляет метан.
Свет Солнца и заряженные частицы Сатурна (да, и такие есть) приводят к распаду молекул азота и метана, которые за счёт своей химической активности присоединяются к другим молекулам в атмосфере, образуя тем самым более сложные структуры вплоть до полиароматических углеводородов (которые удалось зафиксировать в атмосфере и на поверхности). Более крупные молекулы имеют большую плотность, и постепенно концентрируются в нижних слоях атмосферы, тем самым способствуя образованию там ещё больших по размерам молекул.
8) Изначально аппаратом должно было быть получено 700 фотографий, но из-за ошибок при проектировании — была получена только половина из них: уже в ходе тестов во время полёта было установлено, что программная ошибка могла привести к тому, что Кассини мог потерять частоту передачи сигнала Гюйгенса, который должен был двигаться относительно него во время посадки. Программный код уже невозможно было переписать, поэтому траекторию посадки Гюйгенса пересчитали так, чтобы в процессе посадки он двигался перпендикулярно Кассини (чтобы минимизировать относительные скорости аппаратов). Для этого Гюйгенс пришлось сбрасывать месяцем позже, чем ранее планировалось.
Но если вы думаете что это все косяки - то хуй там. Уже по факту посадки обнаружилось - у зонда было две системы связи, но так как объём данных, связанных с фотографиями, был довольно велик — они передавались одновременно через оба канала, без дублирования. Из-за программной ошибки Кассини не слушал один из каналов, из-за чего половина фотографий была просто потеряна. Обидненько да? Видели когда нибудь взбешенную инстасамку после фотосета у которой половина контента потеряно? Ну вот, а тут миллиарды долларов, ну да ладно.
Однако и полученных 350 фотографий (среди которых 3 камеры зонда сделали и несколько стерео) оказалось достаточно: на них были обнаружены русла высохших рек 100 м глубиной с весьма крутыми склонами, свидетельствовавшими о быстрых потоках, бушевавших в этих местах. Место посадки представляло собой русло реки, усыпанное галькой диаметром 10-15 см.
9) Найти место посадки зонда оказалось довольно сложным делом, так как хотя камера бокового обзора Гюйгенса и могла регистрировать детали поверхности на дистанции до 450 км, но радары Кассини совершенно не видели те особенности рельефа, которые были запечатлены камерами Гюйгенса. Этот эффект получивший название «призрачных дюн» и оказался связан с поверхностными отложениями углеводородов, которые не отражают радиосигналов. Тем самым Кассини фактически смотрит «сквозь» них, обнаруживая только слои грязного льда находящихся ниже поверхности планеты, и имеющие менее выраженный рельеф. Такие дела.
Вот такие грандиозные миссии умудряются пилить люди с бюджетами меньше чем рынок косметики 2020 года. Напомню – Старт и проектирование этой сложнейшей миссии был в начале 90х годов, это восхитительно, не так ли?