Солнечный зонд «Паркер»

Q: How do you send a spacecraft to the Sun without it burning up?
A: Go at night! ^*
Твиттер NASA Sun & Space

Update: запуск перенесен на сутки — на 12 августа в 3:31 EDT (10:31 по Москве). Запуск был произведен успешно.

На этом рисунке показан космический аппарат НАСА Parker Solar Probe, удаляющийся от Земли. Если всё пойдет по плану, то солнечный зонд «Паркер» запустят сегодня с космодрома на мысе Канаверал в 3:33 ночи по североамериканскому восточному времени (в 10:33 утра по московскому), а еще через несколько часов, после отделения всех ступеней ракеты-носителя, этот рисунок будет соответствовать реальности. Смотрите прямую трансляцию запуска.

Аппарат назван в честь американского астрофизика Юджина Паркера (это, кстати, первый случай, когда миссия получила имя еще живущего человека), основные работы которого были посвящены физике солнечной плазмы и, в частности, позволили лучше разобраться в том, как устроены солнечная корона и солнечный ветер. Другой важный результат Паркера — предсказание спиралевидной формы магнитосферы Солнца. Эти явления изучаются уже больше полувека, однако до сих пор нет понимания, почему корона гораздо горячее фотосферы Солнца и как именно солнечный ветер ускоряется до сверхзвуковых скоростей.

91-летний Юджин Паркер (в центре) на стартовой площадке миссии, носящей его имя. На заднем плане — ракета-носитель Delta IV Heavy с зондом на борту. Фото из Твиттера NASA Sun & Space

Ученые надеются, что миссия аппарата Parker Solar Probe поможет найти ответы на эти вопросы. Ради этого он сблизится с Солнцем на рекордное расстояние — меньше 7 миллионов километров от центра нашей звезды. Нынешний рекорд — около 44 млн км — принадлежит аппаратам миссии Helios и был установлен еще во второй половине 70-х годов. Для сравнения: перигелий Меркурия — около 46 млн км.

Космический аппарат Parker Solar Probe, установленный на третьей ступени разгонного блока. Сверху виден теплозащитный экран TPS, слева — одна из двух солнечных батарей. Фото с сайта parkersolarprobe.jhuapl.edu

Может показаться, что прилететь близко к Солнцу с Земли просто, но это совсем не так. Основная сложность в том, чтобы как-то погасить скорость самой Земли, которая всегда направлена перпендикулярно направлению на Солнце и передается ракете в момент старта. А Земля летит быстро: средняя скорость составляет около 30 км/с. Аппарат Parker Solar Probe будет запущен на одной из самых мощных ракет — Delta IV Heavy, но ни одна ракета не справится с тем, чтобы разогнать спутник так быстро в противоположном направлении и погасить орбитальную скорость Земли. Поэтому для этой миссии была выбрана довольно сложная траектория (см. видео).

Орбита и ключевые моменты полета Parker Solar Probe. Старт намечен на 11 августа 2018 года, конец сентября — первое сближение с Венерой, начало ноября — первое сближение с Солнцем на расстоянии 24,8 млн км. В конце декабря 2024 года должно случиться максимальное сближение с Солнцем. Рисунок с сайта parkersolarprobe.jhuapl.edu

Сначала аппарат пройдет в 24,8 млн км от Солнца (это случится в начале ноября 2018 года). Затем ему предстоит семь лет летать по эллиптическим орбитам, которые в афелии будут слегка выходить за орбиту Венеры. В общей сложности он совершит 24 витка (а если не случится никаких аварий — то и больше) вокруг Солнца, на семи из которых произойдут гравитационные маневры у Венеры. Каждый из них слегка скорректирует орбиту аппарата, уменьшая ее период и расстояние до Солнца в перигелии. В итоге в конце 2024 года аппарат достигнет своей цели и выйдет на орбиту с минимальным перигелием, глубоко «занырнув» в солнечную корону. Заодно он станет и самым быстрым рукотворным объектом — все эти гравитационные маневры разгонят его почти до 200 км/с относительно Солнца.

Еще одна трудность — это большой поток излучения от Солнца (в сотни раз больше, чем на Земле). Если никак не прикрыть аппарат, то его начинка в моменты сближения с Солнцем будет нагреваться до 1400°C, и все сложные приборы просто выйдут из строя. Для защиты используется теплозащитный экран — Thermal Protection System (TPS). Он состоит из трех слоев: средний слой — 4,5 дюйма (11,43 см) легкой углеродной пены с низкой теплопроводностью — окружен двумя тонкими слоями композитного материала типа углерод-углерод (графитовая матрица, усиленная углеродными волокнами, см. Reinforced carbon–carbon). Внешняя поверхность покрыта тонким слоем белого хорошо отражающего свет керамического материала, который не разрушается от высоких температур и радиации. TPS, как зонтик, прикрывает аппарат от Солнца, и большая часть приборов скрыта за ним (солнечные батареи, например, будут раскрываться при удалении аппарата от Солнца и складываться под этот зонтик при приближении к перигелию). Чтобы уменьшить нагрев от самого экрана, он соединяется с приборным блоком особой фермой всего с шестью точками крепления. Чтобы аппарат был всё время направлен на Солнце защищенной стороной, используется несколько систем автоматической ориентации.

Помимо экрана TPS контролировать нормальную температуру аппарата помогает система охлаждения, основанная на циркуляции воды. Непосредственно за щитом располагается блок из радиаторов (большие черные сегменты в верхней части аппарата). Они должны излучать в пространство излишки тепла. С внутренней стороны радиаторы «прошиты» системой трубок, по которым циркулирует вода, с помощью которой осуществляется теплообмен между разными частями аппарата: если надо — тепло отводится, а если надо наоборот подогреть что-то (а находящиеся в тени части могут остывать до −140°С), то вода перенесет тепло в нужное место.

Научные инструменты, установленные на зонде «Паркер», предназначены для проведения четырех крупных экспериментов: FIELDS, IS☉IS, WISPR, SWEAP.

В рамках эксперимента FIELDS (Electromagnetic Fields Investigation) планируется выполнить прямые измерения магнитных полей с помощью установленных магнитометров. В совокупности с данными об электромагнитном излучении в радиодиапазоне с пяти двухметровых антенн, а также об интенсивности электромагнитного потока, плотности и температуре плазмы, которые будут получены в этом же эксперименте, можно установить роль в разогреве короны таких явлений, как сверхзвуковые ударные волны, магнитные пересоединения, магнитозвуковые и альвеновские волны.

Положение инструментов эксперимента FIELDS — пяти двухметровых антенн и трех магнитометров

Цель эксперимента IS☉IS (Integrated Science Investigation of the Sun) — детектирование электронов, протонов и тяжелых ионов, ускоренных до высоких энергий в атмосфере Солнца, а также определение их интенсивности, энергетических спектров, состава и углового распределения. Эти измерения помогут глубже изучить явления, отвечающие за космическую погоду: выбросы корональной массы, солнечные вспышки, корональные дыры (см. картинку дня «Корональная дыра») и ускорение солнечного ветра (см. картинку дня «Солнечный ветер»).

Положение времяпролётных масс-анализаторов EPI-Lo и EPI-Hi эксперимента IS☉IS

В рамках эксперимента WISPR (Wide-field Imager for Solar PRobe) оптический телескоп будет получать более детальные и глубокие изображения Солнечной короны. Он должен помочь найти связь между явлениями на Солнце и разогревом короны и обнаружить проявления эффектов разогрева, например микровспышки (см. Nanoflares).

Положение широкоугольной фотокамеры эксперимента WISPR. Для защиты от излишнего света она снабжена многочисленными блендами и ширмами

Цель эксперимента SWEAP (Solar Wind Electrons Alphas and Protons) — оценить количество частиц солнечной плазмы, обладающих зарядом (электронов, протонов и тяжелых ионов) и измерить их скорость, заряд, плотность и температуру. Эксперимент нацелен на поиск и отслеживание механизмов ускорения солнечного ветра, а также на поиск связи этих механизмов с активными процессами на самом Солнце и с процессами нагрева короны. Некоторые параметры измеряются другими методами и в эксперименте IS☉IS. Совместная работа IS☉IS и SWEAP позволит уточнять данные обоих экспериментов.

Инструменты эксперимента SWEAP: цилиндр Фарадея (SPC) и два разнонаправленных электростатических анализатора (см. Electrostatic analyzer) — Span-A и Span-B

И конечно, от Parker Solar Probe ждут также новых открытий, которые сейчас еще даже невозможно предсказать.

Рисунок с сайта parkersolarprobe.jhuapl.edu.

О миссии «Паркер» и о надеждах астрономов см. также:
Навстречу солнечному ветру.

Александр Яровитчук

^* — Товарищи космонавты! Американцы высадились на Луне. Мы тут посоветовались и решили, что вы полетите на Солнце!
— Так сгорим ведь, Леонид Ильич!
— Не бойтесь, товарищи, партия подумала обо всём. Вы ночью полетите.