Dawn rumfartøjs chefingeniør og missionsdirektør hos JPL deler indsigt. Daggry skal nå Ceres i marts 2015. Første rumfartøj nogensinde, der kredser om to planetariske kroppe!
JPLs Marc Rayman
Marc Rayman er Dawn-rumfartøjets chefingeniør og missionsdirektør hos JPL. Som en livslang rumentusiast begyndte han at skrive til NASA, da han var ni år gammel, og sluttede sig til JPL efter at have modtaget sin ph.d. i fysik et par år senere. Han har arbejdet på en bred vifte af astrofysik og planetariske missioner, men selvfølgelig "intet andet så cool som Dawn." Fans af Dawn følger denne mission ved at læse Marc's Dawn Journal. Denne artikel sendes tilbage af Dawn Journal til 28. november 2014. Brugt med tilladelse.
Dawn-rumfartøjet flyver lydløst og glat gennem det vigtigste asteroidebælte mellem Mars og Jupiter og udsender en blågrøn bjælke med højhastigheds-xenonioner. På den modsatte side af solen fra Jorden, der skyder sit unikt effektive ionfremdrivningssystem, fortsætter den fjerne eventyrer med at gøre gode fremskridt på sin lange vandring fra den gigantiske protoplanet Vesta til dværgplaneten Ceres.
Lad denne måned se frem til nogle kommende aktiviteter. Du kan bruge solen i december til at lokalisere Dawn på himlen, men før vi beskriver det, så lad os se, hvordan Dawn ser frem til Ceres, med planer om at tage billeder natten til 1. december.
Dawns første foto af Ceres, taget den 20. juli, 2010. Kredit: NASA / JPL-Caltech / MPS / DLR / IDA
Robotudforskernes sensorer er komplekse enheder, der udfører mange følsomme målinger. For at sikre, at de giver de bedst mulige videnskabelige data, skal deres helbred overvåges og vedligeholdes nøje, og de skal kalibreres nøjagtigt. De sofistikerede instrumenter aktiveres og testes lejlighedsvis og forbliver alle i fremragende stand.
En sidste kalibrering af videnskabskameraet er nødvendigt inden ankomst til Ceres. For at opnå det skal kameraet tage billeder af et mål, der kun vises et par pixels på tværs. Den uendelige himmel, der omgiver vores interplanetære rejsende, er fuld af stjerner, men disse smukke lyspunkter, selvom de let kan påvises, er for små til denne specialiserede måling. Men der er et objekt, der bare er den rigtige størrelse. Den 1. december er Ceres omkring ni pixels i diameter, næsten perfekt til denne kalibrering.
Billederne giver data om meget subtile optiske egenskaber på kameraet, som forskere vil bruge, når de analyserer og fortolker detaljerne på nogle af de billeder, der er returneret fra bane. Ved 740.000 miles (1,2 millioner kilometer) vil Dawn's afstand til Ceres være cirka tre gange adskillelsen mellem Jorden og månen. Dens kamera, der er designet til at kortlægge Vesta og Ceres fra bane, afslører ikke noget nyt. Det vil dog afsløre noget cool! Billederne vil være den første udvidede udsigt for den første sonde, der når den første opdagede dværgplanet. De viser det største legeme mellem solen og Pluto, som endnu ikke er besøgt af et rumfartøj, Dawns destination, siden det klatrede ud af Vestas tyngdekraft for mere end to år siden.
Dawns første udvidede billede af Ceres - som du kan se her - er kun lidt større end dette billede af Vesta taget den 3. maj 2011 i begyndelsen af Vesta-tilgangsfasen. Indsatsen viser det pixelformede Vesta, uddraget fra hovedbilledet, hvor den overeksponerede Vesta kan ses på baggrund af stjerner. Kredit: NASA / JPL-Caltech / UCLA / MPS / DLR / IDA
Dette er ikke første gang Dawn har set Ceres. I en anden kalibrering af kameraet for mere end fire år siden beskrev opdagelsesrejseren sin svage destination langt væk i både tid og rum. Dengang, stadig et år før ankomst til Vesta, var Dawn mere end 1.300 gange længere væk fra Ceres, end det vil være for denne nye kalibrering. Giganten i det vigtigste asteroidebælte var en utydelig prik i det store kosmiske landskab.
Nu er Ceres det lyseste objekt i daggrys himmel undtagen den fjerne sol. Når det klikkes på billederne, vil Ceres være så lys, som Venus undertiden vises fra Jorden (hvad astronomer vil kalde visuel styrke -3,6).
For at bevare hydrazin, en dyrebar ressource efter tabet af to reaktionshjul, skyder Dawn med sit ionfremdrivningssystem, når det udfører denne kalibrering, der kræver lange eksponeringer. Ud over at flytte rumfartøjet med i sin bane stabiliserer ionmotoren skibet, hvilket gør det muligt for det at pege jævnt i rumfartens nul-tyngdekraft. (Dawns forgænger, Deep Space 1, brugte det samme trick til iontrykning for at være så stabilt som muligt for sine oprindelige fotos af kometen Borrelly.)
Når Dawn lukker ind på sit stenbrud, vil Ceres blive lysere og større. Sidste måned opsummerede vi planen for fotografering af Ceres i den første del af indflyvelsesfasen og gav visninger i januar svarende til det bedste, vi har i øjeblikket (fra Hubble-rumteleskopet) og i februar betydeligt bedre. Hovedformålet med billederne er at hjælpe navigatører med at styre skibet ind i denne ubeskyttede endelige havn efter en lang sejlads på det interplanetære hav. Kameraet fungerer som styrmandens øjne. Ceres er blevet observeret med teleskoper fra (eller nær) Jorden i mere end to århundreder, men det har vist sig som lidt mere end en svag, uklar klat længere væk end solen. Men ikke så meget længere!
Dawns avancerede ionfremdrivningssystem er det eneste rumskib, der nogensinde er bygget for at omgå to udenrigsdestinationer, og dets ambitiøse mission. Yonmotoren giver Dawn den største hviskende træk og giver mulighed for at manøvrere på måder, der er helt forskellige fra konventionelt rumfartøj. I januar præsenterede vi detaljeret Dawns unikke måde at glide ind i kredsløb. I september forstyrrede et udbrud af rumstråling trykprofilen. Som vi så, reagerede flyveteamet hurtigt på et meget komplekst problem, hvilket minimerede varigheden af den mistede skub. En del af deres beredskabsoperationer var at designe en ny tilgangsbane, der tegner sig for de 95 timer, som Dawn kystede i stedet for skub. Lad os nu se på, hvordan den resulterende bane adskiller sig fra det, vi diskuterede i begyndelsen af dette år.
I denne udsigt, når man ser ned på nordpolen i Ceres, er solen væk fra figuren til venstre, og Ceres 'mod urets orbitalbevægelse rundt om solen fører den fra bunden af figuren til toppen. Dawn flyver ind fra venstre, rejser ud foran Ceres og fanges derefter på vej til toppen af dens bane. De hvide cirkler har intervaller på en dag, hvilket illustrerer, hvordan Dawn gradvist aftager med det første. (Når cirklerne er tættere på hinanden, bevæger sig Dawn langsommere.) Efter indfangning bremser både Ceres 'tyngdekraft og ionkraften det endnu mere, før fartøjet accelererer til slutningen af indflygingsfasen. (Du kan tænke på dette perspektiv som værende ovenfra. Så viser den næste figur udsigten fra siden, som her ville betyde at kigge mod handlingen fra et sted nederst på grafikken.) Kredit: NASA / JPL
I den oprindelige fremgangsmåde ville Dawn følge en simpel spiral omkring Ceres, nærme sig fra den generelle retning af solen, løbe over sydpolen, gå videre til nattesiden og vende tilbage over nordpolen, inden den lette ind i den målrettede bane, kendt under det omrørende navn RC3 i en højde af 13.500 kilometer. Ligesom en pilot, der lander et fly, krævede en flyvning af denne rute linje på en bestemt kurs og hastighed i god tid. Ionen, der pressede i år, havde sat Dawn op for at komme videre på denne tilgangsspiral tidligt næste år.
Ændringen i dens flyprofil efter septembermødet med en rogue kosmisk stråle betød, at spiralstien ville være markant anderledes og ville kræve markant længere tid at gennemføre. Mens flyveholdet helt sikkert er tålmodig - når alt kommer til alt, når Jordens robotambassadør ikke Ceres før 213 år efter opdagelsen og mere end syv år efter lanceringen, udtænkte de strålende kreative navigatorer en helt ny fremgangsmåde, som ville være kortere. Demonstrerer den ekstraordinære fleksibilitet ved ionfremdrift, nu vil rumfartøjet tage en helt anden bane, men vil vinde op i nøjagtigt den samme bane.
Rumfartøjet vil tillade sig at blive fanget af Ceres den 6. marts, kun ca. en halv dag senere end den bane, som den forfulgte før driften, men geometrien både før og efter vil være ganske anderledes. I stedet for at flyve syd for Ceres, er Dawn nu målrettet mod at lede den, der flyver ud foran den, når dværgplaneten kredser rundt om solen, og så vil rumfartøjet begynde at svøbe svagt rundt om det. (Du kan se dette i figuren til venstre.) Dawn kommer til 38.000 kilometer (24.000 miles) og vil derefter langsomt bue væk. Men takket være det bemærkelsesværdige design af skyveprofilen, vil ionmotoren og det tyngdekrafttræk fra bjerg og is arbejde sammen. I en afstand af 41.000 miles (61.000 kilometer) vil Ceres række ud og ømt gribe fat i dets nye konsort, og de vil altid være sammen. Daggry vil være i kredsløb, og Ceres vil for evigt ledsages af denne tidligere beboer på Jorden.
Hvis rumfartøjet stoppede med at skyve lige da Ceres fangede det, ville det fortsætte med at løbe rundt om det massive legeme i en høj, elliptisk bane, men dens mission er at undersøge den mystiske verden. Vores mål er ikke at være i en hvilken som helst vilkårlig bane, men snarere i de bestemte bane, der er valgt til at give det bedste videnskabelige afkast for sondeens kamera og andre sensorer. Så det stopper ikke, men i stedet fortsætter manøvreringen til RC3.
Stadig yndefuld vil Dawn forsigtigt skubbe til at modvirke sin orbital momentum, og holde den fra at svinge op til den højeste højde, den ellers ville nå. Den 18. marts, næsten to uger efter, at den blev fanget af Ceres tyngdekraft, vil Dawn bue til toppen af dens bane. Som en kugle, der bliver kastet højt, der bremser til et øjeblik stop før faldet tilbage, ender Dawn's orbitale opstigning i en højde af 75.000 kilometer (75.000 kilometer), og Ceres 'nådeløse træk (hjulpet af den konstante, blide træk) vinder. Når det begynder at falde ned mod sin tyngdekraftsmester, fortsætter det med Ceres. I stedet for at modstå faldet, vil rumfartøjet skyde for at accelerere sig selv, hvilket gør turen hurtigere ned til RC3.
Der er mere at specificere bane end højden. En af de andre attributter er orienteringen af banen i rummet. (Forestil dig en bane som en ring omkring Ceres, men den ring kan væltes og vippes på mange måder.) For at give et overblik over hele overfladen, når Ceres roterer under den, skal Dawn være i en polær bane, der flyver over nord pol, når den bevæger sig fra natkanten til kanten, og bevæger sig sydpå, når den passerer over ækvator, og sejler tilbage til den uilluminerede side, når den når sydpolen, og kører derefter nordover over terræn i mørke om natten. For at udføre den tidligere del af sin nye tilgangsbane vil Dawn dog forblive over lavere breddegrader, meget højt over den mystiske overflade, men ikke langt fra ækvator. Når den kører mod RC3, vil den derfor orientere sin ionmotor ikke kun for at forkorte tiden til at nå den orbitale højde, men også for at vippe planet for dens bane, så den omkranser polerne (og vipper planet til at være på en bestemt orientering i forhold til solen). Når det endelig nærmer sig, vil det endelig vende sig til at bruge den berømte effektive glødende stråle af xenonioner mod Ceres tyngdekraft, der fungerer som en bremse snarere end en accelerator. Den 23. april afsluttes denne første akt af en smuk ny himmelballet. Dawn vil være i den oprindeligt tilsigtede bane omkring Ceres, klar til sin næste akt: de intensive observationer af RC3, som vi beskrev i februar.
Nord er øverst på dette tal, og solen er langt til venstre. Ceres orbital bevægelse omkring solen bærer den direkte ind i figuren. Den originale tilgang tog Dawn over Ceres sydpol, da den spiraliserede direkte ind i RC3. Ved den nye tilgang ser det ud som om det flyver ind over nordpolen, men det er på grund af den flade skildring. Som det forrige figur viser, tager fremgangsmåden Dawn godt foran Ceres. Den øverste del af den grønne bane er ikke i samme plan som den oprindelige tilgang og RC3; snarere er det i baggrunden "bag" grafikken. Da Dawn flyver til højre på diagrammet, kommer den også frem til figurens plan for at justere med den målrettede RC3. Som før angiver cirklerne, fordelt på en dags intervaller, rumfartøjets hastighed; hvor de er tættere på hinanden, rejser skibet langsommere. (Du kan tænke på dette perspektiv som værende fra siden og den forrige figur som visningen ovenfra, fra toppen af denne grafik.) Kredit: NASA / JPL
Dawns vej til kredsløb er ikke mere kompleks og elegant end hvad enhver crackerjack-rumskibspilot ville udføre. En af de vigtigste forskelle mellem, hvad vores ess skal udføre, og hvad der ofte sker i science fiction-film, er, at Dawns manøvrer overholder fysikkens love. Og hvis det ikke er tilfredsstillende nok, måske det, at det er ægte, gøre det endnu mere imponerende. Et rumskib sendt fra Jorden for mere end syv år siden, fremdrevet af elektrisk accelererede ioner, der allerede har manøvreret meget i kredsløb omkring det gigantiske protoplanet Vesta for at afsløre sine utallige hemmeligheder, snart vil banke og rulle, bue og vende, stige og stige ned og svøbe ind i dens planlagte bane.
Illustration af de relative placeringer (men ikke størrelser) af Jorden, solen og Dawn i begyndelsen af december 2014. Jorden og solen er på dette sted hver december. Billederne er overlejret på banen for hele missionen, der viser Jorden, Mars, Vesta og Ceres positioner i milepæle under Dawn's sejlads. Kredit: NASA / JPL
Og alt dette vil finde sted langt, langt fra Jorden. Dawn er faktisk på en meget anden heliocentrisk bane fra planeten, den efterlod i 2007. I december vil deres separate stier føre dem til modsatte sider af solen. Vi vil ikke have et lignende himmelarrangement før i 2016, på hvilket tidspunkt håndværket befinder sig i sin laveste højdebane på Ceres. (Vi inviterer vores fremtidige selv til at vende tilbage til fortiden for at fortælle os her, hvordan udsigten er. __) Fra vores jordbaserede perspektiv i år ser Dawn ud til at være mindre end en soldiameter fra solens lem den 9. og 10. december.
Når Jorden, solen og rumfartøjet kommer tættere på linje, skal radiosignaler, der går frem og tilbage, passere nær solen. Solmiljøet er faktisk hårdt, og det vil forstyrre disse radiobølger. Mens nogle signaler kommer igennem, er kommunikation ikke pålidelig. Derfor planlægger controllere ikke noget til rumfartøjet fra 4. december til 15. december. alle nødvendige instruktioner i løbet af denne tid gemmes ombord på forhånd. Lejlighedsvis vil Deep Space Network-antenner, der peger i nærheden af solen, lytte gennem den brølende lyd for rumfartøjets svage hviske, men holdet vil betragte enhver kommunikation som en bonus.