Всех с наступающими Сатурналиями!

8 лет назад, сгорев в атмосфере Сатурна, космический аппарат “Кассини” завершил своё почти 20-летнее путешествие от Земли до Сатурна. Дважды продлённая миссия этого космического аппарата была направлена на систему Сатурна: сам газовый гигант, его кольца и спутники.

Собственно, это был первый аппарат, что вышел на орбиту Сатурна и изучал его не на пролёте, но целенаправленно. Изучение на протяжении многих лет позволило совершить куда больше научных открытий, чем ранние миссии Пионеров и Вояджеров. Самые яркие прорывы, которые можно назвать уже сейчас - это открытие водяных гейзеров на Энцеладе - одном из крошечных ледяных спутников Сатурна, и посадка зонда на поверхность Титана - крупнейшего спутника Сатурна с плотной атмосферой и, как выяснилось примерно в то же время, вполне себе жидкими морями и реками из жидких углеводоров. В некотором роде, открытия Кассини-Гюйгенса позволили переписать учебники по астрономии, давая даже немного работы астробиологам в их нелёгком поиске внеземной жизни.

Итак, давайте внятно определимся, каковы были задачи для аппарата.
Если совсем кратко, то было необходимо донести большое количество научного оборудования и спускаемый зонд до системы Сатурна, питать весь аппарат около десятка-двух лет, отправлять научные данные на Землю, уметь маневрировать для более полного осмотра системы Сатурна, и выполнить ещё сонм чуть менее заметных задач, не вошедших в этот список - и всё это обладая знаниями и технологиями из 90-ых. Задач много, и каждая требует пристальнейшего внимания - любая поломка может привести к преждевременной гибели миссии, и мы не получим ничего с тех усилий, что уже были вложены в аппарат…

С энергией в космосе вообще сложновато, т.к.половина способов получения энергии на таких масштабах времени без регулярного техобслуживания у нас, оказывается не работает: большая часть нынешних способов получения электричества заключается в использовании некоторого явления, что должно вращать турбину. Однако обычно после запуска с аппаратом невозможно что-либо сделать - разве что обновить программное обеспечение. Поэтому от движущихся частей на космических аппаратах пытаются избавляться - любой износ, поломка, смещение частей аппарата, воздействие полей могут вызвать поломку этой части и, вероятно, скорое прекращение миссии. Выработка энергии - невероятно важная задача для любой космической миссии, и здесь обходятся обычно двумя решениями: солнечные панели и РИТЭГи - Радиоизотопные Термоэлектрические Генераторы. Оба решения имеют свои особенности в работе, свои преимущества и недостатки, особо проявляемые в контексте временного периода.

Солнечные панели, очевидно, требуют солнца для работы, буквально преобразуя попадающий на них свет в напряжение между пластинами, создавая ток. Но есть в солнечных батареях парочка недостатков, сильно проявляющих себя в условиях, где мы хотим их использовать. Для начала, солнечные батареи сами по себе, на самом деле, малоэффективны - даже сейчас КПД в 20% считается большим. Этот минус усугубляется и пунктом нашего назначения, в который мы отправляем наш Кассини-Гюйгенс - в 10 раз дальше, чем уже сейчас (а значит солнечного света будет в 100 раз меньше на ту же площадь в идеальном случае) и ужасаемся площади, необходимой для покрытия наших хотелок в энергии. Даже если предположить, что мы сможем обеспечить необходимую площадь для перекрытия энергетических нужд солнечными панелями (т.е. иметь примерно в 100 раз большие солнечные панели, чем около Земли), приходят обычные космические проблемы: габариты и масса.

С учётом того, что солнечные панели не абсолютно плоские и вполне себе весомые, и единственный способ их упаковки заключается в складывании (что требует дополнительных поддерживающих ферм, огромного количества специальных шарниров, специальных соединений и прочих сложностей при больших рисках, связанных с отсутствием техобслуживания), такой аппарат банально может иметь слишком большие массу и объёмы, чтобы довести это дело до точки назначения в виде Сатурна. И опять-таки, если решим проблему доставки аппарата с такими гигантскими панелями, столкнёмся с комплексом проблем от огромной площади аппарата: ограниченная манёвренность вследствие низкой жёсткости всей конструкции, микрометеоритная бомбардировка, что особо актуально для Сатурна - микрочастицы пыли далеко не полностью собраны в кольца - и далее по списку.

РИТЭГи же - несколько иная тема. Радиоизотопные Термоэлектрические Генераторы преобразуют тепло, выделяющееся в большом количестве от распада радиоактивных элементов, в электричество. Замечательное решение для миссий, что не требуют сильно большого количества энергии и отправляются в далёкий космос. Нам парочки таких хватит, пусть они тяжёлые и жутко дорогие.

Если бы не совсем недавно произошедшие с разницей в 3 месяца сначала катастрофа шаттла Челленджер, а потом - авария на Чернобыльской АЭС, проблем с РИТЭГами бы вообще не было. Однако, на фоне развившейся радиофобии, полёты аппаратов, содержащих любые потенциально токсические вещества - в особенности, радиоактивные - встречали волны протестов. Тем более, что уже существовал аппарат, что полетел с РИТЭГом и вернул в земную атмосферу около килограмма распылённого ядерного топлива. Авария аппарата Transit 5BN-3 в 1964, что шёл с РИТЭГом SNAP-9A {5} была одним из основных аргументов в протестах.

Тем не менее, уже с 70-ых годов в NASA разрабатывался особый тип РИТЭГов - GPHS {6}. Если коротко, то ядерное топливо содержалось в особом контейнере из иридия, способном пережить взрыв ракеты на старте или в воздухе, огромные нагрузки - в общем, давно был рассчитан на худший вариант развития событий, и потому запуск был разрешён даже на волне радиофобии. Протесты не могли пересилить многолетние разработки и испытания… В общем, поставить радиоактивную батарейку разрешили - первый вопрос решён.

Однако просто поставить РИТЭГи на случайное место на аппарате нельзя. Всё-таки штука горячая, особенно ближе к старту, да ещё и фонит немного - аппарату требуется смотреть на магнитные поля вокруг, обследовать радиационный фон.. В общем, расположение РИТЭГов - ещё одна задачка со звёздочкой для разбора.

Конкретно в этот раз нас встречает такая проблема: учёные хотят поставить на аппарат магнитометр, дабы очень точно измерять магнитные поля около Сатурна и его лун. А раз это помогает им узнать внутреннее строение планет, они хотят высокую точность, чтобы точнее знать внутренности! Если вдаваться в цифры, учёные хотят точность от нескольких наноТесла (10^-9 Тл или 0,000000001 Тл) до Гаусса (10^-4 Тл или 0,0001 Тл). Для сравнения, магнитное поле Земли около поверхности имеет напряжённость около 30-50 мкТл (они же 30 000 - 50 000 нТл, они же 0,3-0,5 Гаусса). Неодимовый магнит может иметь напряжённость магнитного поля около 1 Тл - действительно мощная штука. Вернёмся к аппарату: чтобы точно не было значимого влияния на результаты изучения полей, мы должны уменьшить поле аппарата до примерно 0,2 наноТесла или же 200 пикоТесла, с такими помехами учёные готовы мириться.

Но вот незадача: магнитные поля появляются от очень многих источников, что мы ставим на аппарат: двигатели, электрические системы электрогенераторы… На самом деле, электроника является немалой проблемой: на Кассини было порядка 1,5 тысяч электрических компонентов, более 20 тысяч соединений проводами общей длиной в 14 км. Условно можно представить себе хаотичную систему из сотен, тысяч компьютеров, сложенных вместе в огромную стопку, высотой в 6 метров, диаметром в метра 4-5. Такая штука будет фонить даже на десяток метров на тысячи, десятки тысяч нанотесла при рассматривании на расстоянии в десяток метров. Здесь, на деле, ситуация схожая с вопросом от РИТЭГов, но о ней позже.

Как-то же нужно решить проблему шумов хотя бы от только что разрешённых РИТЭГов? Иначе на аппарате получится мёртвый груз на миссии, куча научных задач не будет решена - и инженерам дадут по шапке! Но ладно, можно вновь обратиться к прошлому опыту, возможно что-то добавив новое. В конце концов Кассини - не первый аппарат, летящий с магнитометрами и РИТЭГами… Ну и что, что первый столь большой, и сразу с 3 генераторами против летавших ранее на одном-двух?

Если посмотрим на относительно давние миссии - к примеру, Вояджеры 1 и 2, то увидим такое решение: вынесем магнитометр на длинную выдвижную балку (свыше десятка метров), там помехи аппарата будут минимальны. Ну а раз Вояджеры просто пролетают мимо планет, у которых нужно понять: есть магнитное поле или нет - в общем можно ограничиться пространственным разнесением. Если проще, можно представить, что магнитометр - это некий слушатель, магнитные поля - интересующий его концерт, а аппарат со своими РИТЭГами - шумная компания, приведшая этого слушателя послушать, но почти не замолкающая. Естественно, слушающий музыку захочет отсесть от шумной компании - но отзвуки всё равно могут доноситься. Однако пока аппарат просто пролетает мимо планеты, нам нужно в целом понять, есть ли магнитное поле у планеты или нет, возможно узнать его примерные порядки значений - но не точное картографирование магнитных полей. Если на концерт не удастся попасть полностью, слушатель просто хочет услышать, он вообще идёт или нет, узнать его жанр - и отдаляется чуть дальше от своей группы.

В общем, Вояджеры свою задачу на пролёте сделали - показали, что магнитные поля у гигантов есть, в целом не сильно отличные по мощности от земного, так что следующим аппаратам будет что изучать. Собственно, Кассини и будет изучать Сатурн…

Далее с похожей проблемой столкнулся Галилео. Этот аппарат был относительно мелким, и его магнитометр находился на балке, длиной всего в 4,8 метра - не чета тем десятиметровым гигантам, что мы обсуждали ранее. Тем не менее, требования к аппарату были аналогичны Кассини: Галилео выходил на орбиту Юпитера и должен был картографировать магнитное поле системы. Инженеры на Галилео извернулись достаточно эффектно: у собранного аппарата было измерено суммарное поле в точке будущих измерений, притом был известен вклад каждой системы, каждого прибора аппарата. Трудоёмкая работа, требующая особого оборудования в виде крупных камер Гельмгольца, что нивелируют магнитное поле Земли. Учитывая такой объём доступной информации, можно достаточно просто написать программу, что будет вычитать из показаний магнитометра помехи с аппарата, даже учитывая, какие системы на момент активны, и какие - нет. Продолжая аналогию с музыкой, слушатель смог игнорировать шум товарищей, абсолютно не обращая внимания на их болтовню, будто бы не слыша его. Если его пошлют на все 4 стороны 3 буквами, он услышит, но сможет заигнорить (хотя зарубку сделать сможет..).

В целом, метод хороший, но имеет несколько минусов, что не позволят использовать в чистом виде на Кассини: в космических условиях никогда нельзя предугадать, как именно будет меняться система: возможно некий сигнал на антенне что-то поменяет в электрической схеме, где-то может произойти ошибка от наведённого на электронную схему заряда, где-то система может деградировать (привет РИТЭГам), ещё куча “может”, что за многие года миссии может создать приличную ошибку. Вероятнее всего, эта ошибка накапливается достаточно медленно, чтобы можно было о ней не беспокоиться, однако нам критически важен иной момент: Кассини невозможно запихнуть в камеру с достаточно точным нулевым магнитным полем (то есть достаточно мелким, чтобы мы могли на него забить при замерах), чтобы замерять его собственное поле. Галилео, в отличие от Кассини, был достаточно мелким, чтобы такая камера могла удовлетворить всем условиям.

Есть ещё аппарат - Улисс. Он использовал единственный РИТЭГ в своей конструкции, но имел важную задачу по исследованию магнитного поля Солнца, в частности, вне плоскости эклиптики (в которой вращаются планеты солнечной системы). Здесь инженеры пошли более хитрым путём экранирования сигнала от генераторов.

Магнитное поле вполне себе поддаётся, при расчёте, различным математическим трюкам. Одним из таких трюков является правило суперпозиции: суммарное поле есть сумма полей от источников (обычно говорят про диполи - элементарные, простейшие источники магнитного поля). Можно создать нулевое поле, если в одно место положим 2 идентичных по всем параметрам магнита, но с разными направлениями полей - поля друг друга уничтожат по правилу суперпозиции. Попробуйте соединить два магнита с холодильника так, чтобы они притягивались друг к другу: север одного притянется к югу другого. После этого он не будет притягиваться к холодильнику так же хорошо, как и прежде - а если магниты обладали примерно одинаковой силой, то не будут притягиваться и удерживаться вообще.

Если говорить о реальной задаче, то любое магнитное поле можно попытаться разложить на конечное число полей, создаваемое своими диполями (как самыми простыми магнитными источниками поля). Если мы сможем очень хорошо понять структуру всего магнитного поля вокруг нашего источника, мы можем его описать достаточно точно в рамках модели через эти самые диполи. Если очень близко к ним расположить диполи с обратным направлением поля, но в остальном одинаковые, можно получить нивелирование, исчезновение суммарного поля от этого диполя, на требуемом расстоянии. Если говорить аналогиями, в данном случае они пошли по пути активного шумоподавления: слушатель надел умные наушники, что на шум компании накладывает “антишум”.

Примерно по такому пути и пошли инженеры при создании Улисса. При активации системы компенсационных катушек, поле аппарата становилось почти нулевым, что позволяло изучать межпланетное пространство без помех. Хорошая система, но требует полного картографирования аппарата (как у Галилео), а вдобавок к тому, забирает некоторое количество электричества, генерирует тепло, и сработала, вообще-то, для одного РИТЭГа - когда у нас их должно быть аж 3 штуки, что прилично нагрузит систему…

Краткое отвлечение на электронику: обычно её компенсируют именно таким образом. Любой проводок является источником магнитного поля. Это магнитное поле, если требуется, можно компенсировать проводом, что идёт очень близко к нашему изначальному, но с обратным направлением тока. Такая система практически нивелирует магнитное поле проводов. Электрические системы можно уже регулировать катушками.

Так, мы что-то говорили про сложение полей, и у нас 3 мощных источника тока - а давайте сложим наши три поля именно таким образом, что поля сложатся в ноль - мы же складываем вектора, стрелочки, как на геометрии. Проблема разве что в том, что с доступными технологиями невозможно знать точно поле всего аппарата - нет достаточно больших установок, что позволяли бы измерять поле достаточно точно. Ну да ладно, можно поставить очень большую стрелку магнитометра - получилось вынести на 11-метровую балку - и замерить поле, возможно, не от аппарата - с ним ещё можно разобраться потом - но от РИТЭГов в специальной камере. Поля всех приборов потом тоже замерим, будем, как на Галилео, вычитать их поле, если не получится их вообще не создавать/нивелировать сразу пассивно, как описано ранее, особыми расположениями проводов.

Было сложно, но эта самая камера для замеров магнитного поля была создана, калибровка на поле Земли была сделана - и инженеры смогли достаточно точно картографировать поле всех 4 РИТЭГов, что проходили испытания. Да, четырёх - как и всякая другая система, они делались с запасом, проходящим испытания наравне с остальным оборудованием. И да, изначально планировалось, что полетит всего 3 РИТЭГа. По результатам моделирования вышло, что нужно взять генераторы F2, F6 и F7 - тогда как F5 давал чуть худшие результаты.

И вот почему вообще возник вопрос с историей этих генераторов, почему я вообще пишу сейчас эту заметку, дорогие читатели - их расположение! Если вы присмотритесь к любым моделям, фотографиям и прочим изображениям Кассини, вы сможете обнаружить, что они расположены несимметрично! Они расположены “криво”!

В ходе моделирования были выбраны лучшие положения РИТЭГОв, что можно рассмотреть на картинке: на 12, на 2 и на 6 часов, при расположении магнитной стрелы на 12 часов.
По итогам такого расположения суммарные помехи от генераторов смогли уменьшить до приемлемых 114 пикоТесла - результат, много лучше требуемых в самом начале 200 пТл.

Если вновь вернёмся к аналогии со звуком, то можно представить, что если товарищей слушателя расположить в определённых местах, они в месте у самого слушателя будут друг друга перекрывать - с людьми такое сложно сделать из-за непостоянства их разговоров, но с приборами... При создании аудиторий обычно делают таким образом усиление для слушающих, и оно прекрасно работает. Однако таким же образом возможно создать и ослабление звука…

Подводя итоги, хочу сказать, что эта история с РИТЭГами крайне интересна не только тем, что инженеры были такими умными, что смогли решить всё максимально красиво (хотя, конечно, и об этом). Мы прошли маленький путь от незаданного вопроса “Почему РИТЭГи криво стоят” до ответа на него, даже не задавая напрямую этот вопрос, просто изучая историю - мы сами пришли к такому ответу, решая постепенно встающие проблемы. Есть свой шарм в исследовании чего-либо в развитии при наблюдении среза, будь то история, инженерная работа, эволюция - что угодно…

Чтож, на этом история с энергией на Кассини подходит к концу - если только я не упустил чего-то невероятно важного, прошу тогда кинуть в меня тапком в комментах. Если же я их не словлю, в следующий раз обсудим, каким образом вообще была организована сложная связь между Землёй, Кассини и зондом Гюйгенс, какие проблемы вставали на пути, и как их решали.

Автор - Никита Гиринович

Ещё нас можно читать в телеге, Дзене и ВК.

Подписывайтесь, чтобы не пропустить новые посты!