Cassini вышел на орбиту вокруг Сатурна в 2004 году, и планировалось, что он проработает там четыре года. Однако результаты полета этого аппарата, одного из самых амбициозных проектов НАСА, превзошли все ожидания, и его миссия была продлена до лета 2017 года!
За шесть лет, которые Cassini летает вокруг Сатурна, были открыты два новых кольца этой планеты, несколько новых спутников и новый класс малых спутников. На одном из спутников, Титане, были найдены жидкостные озера, на другом, Энцеладе, гейзеры и вода в виде льда. На кольцах Сатурна были обнаружены щели и разломы, а на полюсах самой планеты — циклоны. С Cassini стартовал европейский космический аппарат, который произвел жесткую посадку на Титан. Наконец, Cassini отправил на Землю данные, которых оказалось остаточно для написания уже более 1400 научных работ.
Полет Cassini — не просто научная миссия, но и высочайшее достижение в области космической механики, на основании законов которой была вычислена такая траектория полета, которая позволила ему достичь своей цели с использованием ограниченного запаса топлива. Притом что 78% имевшегося запаса топлива аппарата уже израсходованы, планируется, что Cassini проработает на орбите Сатурна еще семь лет.
Чтобы продлить срок работы аппарата более чем вдвое, необходимы невероятно сложные физические и геометрические расчеты. Колоссальное количество объектов, изучаемых в ходе миссии Cassini — спутников, колец, самой планеты Сатурн, — делает эту экспедицию одним из самых сложных научных экспериментов в истории человечества.
Разрабатывавший проект Cassini сотрудник Лаборатории реактивного движения НАСА Брент Баффингтон сравнил стоявшую перед ним задачу с организацией семилетнего путешествия по Соединенным Штатам с участием более чем 200 ученых, у каждого из которых имеется своя отдельная программа исследований, для чего каждому нужно обеспечить возможность наблюдения определенных объектов. «Прибавьте сюда ограничения по времени путешествия, его скорости, ограничения, налагаемые физическими законами, ограниченную вместимость автобуса и ограниченные возможности водителя, — шутит Баффингтон. — К тому же все объекты, которые ученые хотят наблюдать, непрерывно перемещаются».
Cassini вышел на орбиту вокруг Сатурна в 2004 году, и первоначально предполагалось, что он проработает там четыре года. Но все складывалось настолько успешно, что НАСА решило продлить экспедицию сначала до сентября, затем до февраля 2010 года. Эксперимент получил название Solstice («Солнцестояние») и будет продолжаться вплоть до наступления в северном полушарии Сатурна лета, то есть до лета 2017 года. Если все пойдет по плану, то 15 сентября 2017 года Cassini войдет в кольца Сатурна и, побывав по очереди на 22 орбитах на окраине атмосферы Сатурна, в конце концов погрузится внутрь газовой планеты.
Первый раз миссия была продлена на два года, потому что получаемые научные данные были слишком хороши, для того чтобы от них отказаться. Кроме того, сам аппарат был в прекрасном состоянии — настолько, что на нем даже осталось достаточно топлива для маневрирования по еще 64 орбитам вдобавок к тем 75, на которых он побывал за четыре первых года.
Планирование эксперимента Solstice заняло два года. Ученые составили список мест, которые им хотелось бы посетить, и объектов, которые они хотели бы пронаблюдать. Разработчики полета представили свой план и объяснили, что из задуманного учеными возможно, а что — нет. Затем обе команды переработали все заново.
«Конкуренция была очень жесткой, но все вопросы решались коллегиально», — рассказывает Джонатан Лунайн, участник проекта Cassini и профессор астрономии и физики в римском университете «Тор Вергата».
«Мы старались по возможности выполнить все заявки», — объясняет инженер планирования полета Cassini, Джон Смит, вместе с Брентом Баффингтоном отвечавший за разработку маршрута.
Одним из инструментов, при помощи которых можно изменять космическую орбиту большого искусственного объекта, является использование сил притяжения. Когда объект сближается с планетой или ее спутником, его орбита под воздействием силы притяжения этой планеты или спутника изменяется.
В случае Cassini ключевую роль играет самый крупный спутник Сатурна, Титан. Это единственный объект в системе Сатурна (помимо самой планеты), обладающий достаточной гравитацией, чтобы вносить серьезные изменения в параметры орбиты Cassini при каждом сближении с ним.
«Без помощи Титана, — рассказывает руководитель группы планирования полета Cassini, Дэвид Сил, — аппарат был бы обречен вращаться вокруг Сатурна по одной и той же орбите».
Разработчики траектории полета должны внимательно следить за тем, сколько топлива для осуществления маневров остается на аппарате. От этого зависит то, какую скорость может развить аппарат в метрах в секунду. Этот параметр обозначается как «дельта-V».
В начале экспедиции Cassini дельта-V составляла 742 метра в секунду, и далее каждый из четырех первых и двух дополнительных лет осуществления программы «стоил около 100 метров в секунду или немного больше», объясняет Дэвид Сил.
Сегодня Cassini обладает остаточной дельта-V, равной всего 158 метрам в секунду. Однако эксперимент Solstice все-таки будет осуществлен за счет обмена времени на топливо — если аппарат будет перемещаться медленнее, расход дельта-V будет меньше. Для снижения расхода горючего инженерам, обслуживающим миссию Cassini, придется применить всю свою изобретательность. Каждое сближение аппарата с Титаном увеличивает его дельта-V на целых 840 метров в секунду.
По материалам The New York Times