13 октября 2023 года в 17:19 по Московскому времени (03:04 UCT), с космодрома Канаверал (штат Флорида) стартовала сверхтяжелая ракета-носитель «Falcon Heavy», несущая под головным обтекателем одну из интереснейших космических миссий нынешнего десятилетия — зонд «Psyche» (англ. Психея, в честь греческой богини), направляющийся к одноименному астероиду.
Чтобы понять, чем интересна эта миссия, необходимо немного рассказать о целевом объекте — железо-никелевом астероиде (16) Психея. Цифра «шестнадцать» означает, что это был шестнадцатый астероид в истории, открытый астрономами еще в 1852 году. Но раннее открытие не так важно, как то, что (16) Психея, это один из самых «тяжелых» известных астероидов. Ее масса оценивается в 110 миллиардов тонн, что составляет примерно 1/100 массы всего пояса астероидов. (16) Психея достаточно массивная, чтобы существенно искривлять орбиты близких к ней астероидов.
Серия изображений (16) Психея полученных с помощью Очень Большого Телескопа Европейской Южной Лаборатории в Чили
Среди астероидов М-класса (железо-никелевых), (16) Психея является самой тяжелой и плотной. Оценочная плотность астероида по современным представлениям составляет 3,9 г/см3, что существенно выше среднего значения для других тел Солнечной Системы. Радарное альбедо (16) Психея составляет порядка 0.22-0.52, что в несколько раз выше среднего значения для астероидов пояса. Все это указывает на необычно высокую концентрацию металлов на поверхности (16) Психея.
Изначально астрономы придерживались мнения, что (16) Психея — это обнажившееся металлическое ядро протопланеты, разрушившейся в результате столкновения в ранний период формирования Солнечной Системы. Такая теория объясняла необычно высокое содержание металлов в астероиде. Однако в последние десятилетия накопились убедительные аргументы против данной теории (главным образом то, что она недостаточно массивная для своего размера) и она больше не считается достаточно убедительной. Были выдвинуты альтернативные теории образования (16) Психея — например, что она появилась в результате раздробления и последующего гравитационного соединения некоего предшествующего тела, и оказалась как бы «перемешана» изнутри-наружу — но на данный момент для подтверждения какой-либо из них не хватает данных.
Задачей зонда «Psyche» является, в том числе, и пролить ясность на происхождение (16) Психея.
Миссия «Psyche» является частью т.н. «программы «Discovery» НАСА — серии «быстрых» миссий, нацеленных на детальное изучение какого-то конкретного объекта. Такие миссии дешевле и проще, чем «флагманские» программы НАСА (программы «Flagship» и «New Frontiers»). В результате, зонд «Psyche» относительно компактен и ориентирован на детальное изучение (16) Психея с лишь ограниченным сбором «попутных» данных.
В задачи миссии входит:
* Впервые в истории космонавтики детально изучить металлический астероид с ближней дистанции, составить подробную топографическую карту поверхности.
* Определить, являлась ли (16) Психея частью (фрагментом ядра) протопланеты, или же сформировалась из уже остывшего астероидного материала.
* Определить относительный возраст регионов поверхности (16) Психея.
* Определить, соответствует ли содержание легких элементов (16) Психея таковому для ядра Земли.
* Определить, были ли условия формирования (16) Психеи более окислительными или более восстановительными химически, чем у ядра Земли.
Предполагается, что ответ на эти вопросы сумеет разрешить множество неясностей в истории формирования Земли, Солнечной Системы и астероидов.
Зонд «Psyche» представляет собой весьма компактную конструкцию, общей массой около 2608 кг (из них около тонны приходятся на рабочее тело для маршевых ионных двигателей и запас сжатого газа для двигателей ориентации). Сухая масса зонда составляет 1648 кг, большая часть которой приходится на конструкцию. Его полезная нагрузка — научное оборудование для изучения (16) Психея — укладывается всего в 30 кг.
В движение зонд приводят четыре ионных двигателя типа SPT-140, основанные на эффекте Холла. Двигатели такого типа являются коммерческой моделью, широко используемой для поддержания орбиты околоземных спутников — но раньше не использовались на межпланетных зондах. Работая на ксеноне, эти двигатели развивают суммарную тягу в 0,28 Ньютона — при удельном импульсе более 1800 секунд.
(интересно отметить, что данные двигатели основаны на советских моделях электроплазменных двигателей, и были разработаны совместно Россией и США еще в 90-ых).
Питание ионных двигателей осуществляется от раскладного массива солнечных батарей большой площади. На орбите Земли, фотоэлементы «Psyche» вырабатывают порядка 20 киловатт электрической мощности. По мере удаления от Солнца их эффективность, разумеется, будет падать, и возле (16) Психея составит около 2.3 киловатта. Этого вполне достаточно для питания маршевых двигателей зонда, хотя и не на полной мощности (для чего требуется 4.5 киловатт).
Интересным новшеством на зонде «Psyche» является экспериментальная система лазерной связи DSOC (англ. Deep Space Optical Communication — Оптическая Связь в Глубоком Космосе), установленная параллельно с обычной радиоантенной. Лазерный обмен данными имеет значительные преимущества над обычной радиосвязью, особенно в космическом пространстве: предполагается, что с ее помощью можно увеличить скорость обмена данными и надежность коммуникации в 10-100 раз.
Лазерный приемо-передатчик на борту «Psyche» представляет собой 8.6-дюймовый (22-см) телескоп, смонтированный на подвижном стабилизированном основании. Он будет принимать луч лазерного передатчика Лаборатории Реактивного Движения на горе Тэйбл Маунтен (штат Калифорния), используя его как маяк для поддержания непрерывной ориентации на Землю. Ответные сигналы лазерного излучателя зонда (максимальной мощностью 45 ватт) будут приниматься 5-метровым телескопом лаборатории Паломар (штат Калифорния). Эксперименты с лазерной связью должны начаться вскоре после выхода зонда на траекторию, и продолжаться не менее года — с возможностью продолжения.
Белая трубка на переднем плане — лазерный приемо-передатчик
Приборное оснащение зонда достаточно ограничено, и включает:
* Мультиспектральную камеру, способную делать снимки с высоким разрешением, и, благодаря системе фильтров, различать металлические и силикатные участки поверхности (16) Психея.
* Гамма-лучевой и нейтронный спектрометры, предназначенные для изучения спектрального состава поверхности астероида и лежащих под ней слоев вещества.
* Магнетометр, для изучения остаточного магнитного поля астероида и его влияния на металлическую поверхность.
* Микроволновой гравитационный сканер, предназначенный для составления детальной карты гравитационного поля астероида, выявления аномалий большей и меньшей массы.
Ракету Falcon Heavy везут на космодром. Заметен контраст между снежно-белой второй ступенью, и закоптившимися, почерневшими от предыдущих полетов ускорителями
Запуск «Psyche» был осуществлен ракетой «Falcon Heavy» с космодрома Канаверал. Это восьмой пуск ракеты данного типа. Запуск был выполнен в частично-многоразовом режиме: центральный блок первой ступени (бортовой номер B1079) отработал как одноразовый и сгорел в атмосфере, боковые же блоки-ускорители (бортовые номера B1604 и B1605) благополучно выполнили посадку на наземные площадки космодрома Канаверал. Для каждого ускорителя это уже четвертый полет. В настоящее время зонд успешно отделился от второй ступени ракеты-носителя и развернул солнечные батареи, выйдя на межпланетную переходную орбиту.
https://www.youtube.com/live/npIDMxrzm_o?si=MhhNeAZnBWYFNBze
После запуска, зонду предстоит продолжительный полет с гравитационным маневром у Марса в 2026 году, прежде чем он прибудет к (16) Психея в августе 2029 года. Первоначально, зонд выйдет на 300-километровую орбиту с наклонением 90 градусов вокруг астероида (орбита А), и пробудет на ней не менее 56 дней, выполняя анализ магнитного поля астероида. Затем, зонд снизится до 290-километровой орбиты (орбита В1), для составления топографической и магнитной карты астероида.
Схема орбит зонда
На этой орбите зонд пробудет 76 дней, после чего снизится до орбиты С, высотой 110 км над поверхностью астероида. На протяжении 100 дней, зонд будет изучать гравитационное поле астероида, составляя карту аномалий. Наконец, зонд опустится на 85-километровую орбиту D, изменив при этом наклонение орбиты на 70+ градусов (в итоге оно составит 160 градусов), и начнет спектральный анализ астероида. Предполагается, что зонд проработает над (16) Психея не менее 21 месяца.
Миссия «Psyche» является одной из наиболее интересных программ НАСА, осуществляемых в этом десятилетии. Космические зонды уже посетили несколько астероидов, но ни один из них не был железо-никелевым — и ни один из них не представлял такой загадки, как (16) Психея. Изучение этого астероида в значительной степени продвинет наше понимание Солнечной Системы… а также станет грандиозным прорывом в освоении ресурсов Космоса, так как позволит впервые составить ясное представление об астероидных месторождениях металлов, их составе, распространенности и доступности.
