SMILE запущен на Vega C для изучения магнитосферы Земли

Новая научная миссия Европейского космического агентства (ЕКА) под названием SMILE (Solar Wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer) успешно стартовала на четырехступенчатой ракете Vega C с космодрома во Французской Гвиане. Этот совместный проект ЕКА, Китайской академии наук (КАН) и других академических и коммерческих организаций позволит впервые получить глобальные изображения магнитосферы Земли в мягком рентгеновском диапазоне и изучить ее реакцию на мощный солнечный ветер.

Запуск ракеты Vega C состоялся 19 мая в 03:52 UTC с космодрома Куру во Французской Гвиане. Она успешно вышла на высоконаклоненную орбиту с углом 73 градуса, двигаясь по северной траектории. Производитель Vega C, компания Avio, перенесла запуск с 9 апреля из-за технической проблемы на линии производства компонентов, выявленной после интеграции аппарата VV29 с полезной нагрузкой.

Этот запуск стал первым для Vega C под управлением компании Avio, которая заменила Arianespace. Модуль полезной нагрузки был разработан Airbus в Мадриде, а Китайская академия наук (КАН) предоставила модуль питания, систему управления ориентацией и двигательную установку для космического аппарата.

Первая ступень ракеты Vega C оснащена односекционным твердотопливным двигателем P120C, развивающим максимальную тягу в 4323 кН. Этот двигатель является самым крупным и мощным из когда-либо разработанных, ранее это звание принадлежало двигателю P80FW, использовавшемуся на оригинальной ракете Vega. Стоит отметить, что ракета Ariane 6 компании Arianespace также будет использовать P120C в качестве боковых ускорителей, в конфигурациях с двумя или четырьмя двигателями.

Вторая и третья ступени Vega C оснащены твердотопливными ракетными двигателями Zefiro 40 и Zefiro 9, разработанными Avio. В качестве топлива для обоих двигателей используется смесь порошкообразного алюминия, перхлората аммония и гидроксил-терминированного полибутадиена.

Четвертая ступень ракеты, модуль AVUM (Attitude Vernier Upper Module), является единственной жидкостной ступенью. Разработанная Avio, эта ступень способна к многократному перезапуску и предназначена для точного выведения полезной нагрузки на заданные орбиты, а также для контроля крена и ориентации. Двигатель RD-843 использует несимметричный диметилгидразин в качестве горючего и тетраоксид диазота в качестве окислителя.

Ракета Vega C вывела спутник SMILE на круговую низкую околоземную орбиту высотой 700 км. После этого двигательная установка космического аппарата выполнит одиннадцать включений, чтобы доставить его на научную орбиту. Аппарат SMILE оснащен двигателем тягой 490 Н и несет 1580 кг топлива. SMILE имеет две развертываемые солнечные батареи и 12 двигателей для управления ориентацией.

Единственная защита Земли от мощных явлений космической погоды — это ее магнитосфера, невидимая область пространства, где преобладают линии магнитного поля Земли. Солнце постоянно излучает огромное количество радиации, которая часто превращается в солнечный ветер, взаимодействующий с магнитосферой Земли.

Космический аппарат SMILE массой 2300 кг будет использовать четыре научных прибора для изучения реакции Земли на солнечный ветер. Миссия направлена на ответы на три фундаментальных вопроса: что происходит там, где солнечный ветер встречается с магнитным щитом Земли; что вызывает магнитные «сбои» на ночной стороне Земли; и как можно раньше прогнозировать наиболее опасные магнитные бури?

SMILE станет первым аппаратом, который проведет детальные, продолжительные рентгеновские наблюдения магнитного поля Земли и будет получать изображения северного сияния — вызванного взаимодействием заряженных частиц с магнитосферой Земли — в течение 45 часов подряд. Для такого длительного наблюдения магнитосферы Земли за один виток требуется сильно эллиптическая орбита. SMILE будет достигать апогея в 121 000 км над Северным полюсом, что составляет треть расстояния до Луны. Когда аппарат будет находиться в перигее на высоте 5000 км над Южным полюсом, он будет передавать свои научные данные на антарктическую наземную станцию О’Хиггинс.

Крупнейшим прибором на борту космического аппарата является мягкий рентгеновский имиджер (SXI), разработанный Университетом Лестера в сотрудничестве с Космическим агентством Великобритании (UKSA) и ЕКА. SXI будет регистрировать рентгеновские лучи, образующиеся при столкновении тяжелых ионов солнечного ветра с нейтральными частицами в экзосфере Земли — процессе, известном как перезарядка солнечного ветра (SWCX). Полученные данные позволят создать первые глобальные рентгеновские изображения магнитосферы Земли. Широкоугольный телескоп «лобстерный глаз» использует микропоровую оптику (MPO) для спектрального картирования местоположения, формы и движения магнитосферного ударного фронта, полярных каспов и магнитопаузы, которые постоянно меняются из-за взаимодействия с солнечным ветром.

«Глобальные модели взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой показывают нам, где должны происходить выбросы», — объяснил доктор Стивен Сембей, главный исследователь SXI, в интервью. «Поскольку солнечный ветер не может проникнуть в магнитосферу, мы ожидаем, что магнитопауза будет выглядеть как резкая граница между сильными выбросами снаружи магнитопаузы и слабыми выбросами внутри».

«Мы с нетерпением ждем, чтобы узнать, насколько сильными будут эти выбросы, а также когда и как быстро будет двигаться магнитопауза в ответ на изменения давления солнечного ветра и/или силы и направления межпланетного магнитного поля. Мы также очень рады работать с другими командами приборов SMILE над созданием глобальной картины динамической магнитосферы и улучшением нашего понимания космической погоды в нашем непосредственном окружении».

Телескоп оснащен двумя крупнейшими из когда-либо отправлявшихся в космос чувствительными к рентгеновскому излучению приборами с зарядовой связью (ПЗС-матрицами). Эти ПЗС-матрицы требуют температуры -120 градусов Цельсия для минимизации шума и оборудованы радиационным затвором, который защищает их при прохождении через радиационные пояса Ван Аллена.

«Из-за ограниченности доступной мощности нам пришлось разработать пассивную систему охлаждения и конструкцию [для ПЗС-матриц], которая термически изолирует плоскость детекторов от теплового потока от остальной части космического аппарата», — объяснил доктор Сембей. «Из-за относительно большой апертуры телескопа и массива микропористой оптики, необходимой для достижения широкого поля зрения, невозможно пассивно защитить детекторы от радиационного повреждения в той же степени, как современные рентгеновские телескопы, используемые в астрофизике, которые имеют гораздо более узкие поля зрения».

«Снижение радиационного ущерба достигается за счет механического затвора, который защищает ПЗС-матрицы, когда космический аппарат проходит через радиационные пояса Земли, а также за счет особенностей конструкции самих ПЗС-матриц».

Еще одним ключевым прибором на борту SMILE является ультрафиолетовый имиджер (UVI), разработанный Национальным центром космических наук Китая при содействии ЕКА. Используя свою ультрафиолетовую камеру, UVI будет фиксировать светящийся авроральный овал, окружающий северный магнитный полюс Земли. Во время геомагнитных бурь, вызванных достижением Земли корональными выбросами массы от Солнца, UVI будет непрерывно наблюдать северное сияние. Предыдущие космические аппараты могли наблюдать полярное сияние не более 15 часов подряд. Такое расширенное покрытие даст ученым гораздо более ясную картину того, как геомагнитные бури вызывают и формируют авроральные явления.

Дистанционные приборы дополняет анализатор легких ионов (LIA), разработанный КАН. LIA будет определять свойства и поведение ионов солнечного ветра, магнитослоя и магнитосферы в непосредственной близости от космического аппарата SMILE. Прибор представляет собой двухголовочный электростатический анализатор, прикрепленный к SMILE.

Последним прибором в научном комплексе SMILE является магнитометр (MAG), разработанный совместно Китайским национальным центром космических наук и Институтом космических исследований Австрийской академии наук. Два трехосных датчика с феррозондовым преобразователем, установленные на трехметровой развертываемой штанге, будут измерять силу и направление солнечного ветра, а также обнаруживать ударные волны и разрывы. Работая как градиометр с датчиками, расположенными на расстоянии 80 см друг от друга, MAG может точно вычитать магнитное поле космического аппарата, предоставляя данные in-situ, дополняющие данные приборов дистанционного зондирования.

SMILE является примером глобального научного сотрудничества, впервые ЕКА и Китай совместно выбрали, спроектировали и реализовали космическую научную миссию, начиная с первоначального предложения и заканчивая операциями запуска. Данные, передаваемые с антарктической наземной станции О’Хиггинс, будут обрабатываться и распространяться по всему миру через открытые научные сети.

«Аппаратное обеспечение и полетное программное обеспечение SXI были разработаны тремя учреждениями Великобритании и учреждениями из Австрии, Норвегии, Испании, Швейцарии, а также при непосредственном участии Европейского космического агентства. Управление этим процессом осуществлял Университет Лестера в качестве ведущего исследовательского учреждения при поддержке Космического агентства Великобритании, используя стандартные подходы к управлению проектами и системной инженерии и опираясь на наш обширный опыт в космических проектах», — объяснил доктор Сембей.

Космическая погода влияет не только на наши энергосети и спутники, но и создает риски для астронавтов на Международной космической станции и в будущих миссиях на Луну и Марс. SMILE поможет разработать более полное понимание воздействия солнечного ветра на магнитосферу Земли и того, как она нас защищает. Более глубокое понимание опасной космической погоды может улучшить нашу способность прогнозировать, когда и где произойдут эти интенсивные бури, и оценивать потенциальный ущерб наземной инфраструктуре. Ожидается, что SMILE будет работать в течение трех лет и предоставит ученым самые точные и подробные данные о магнитосфере на сегодняшний день.

«Нас часто удивляет то, что мы видим, исследуя Вселенную; эта неопределенность, в конце концов, является причиной, по которой мы создаем эти инструменты», — сказал доктор Сембей.