Исследования юпитера автоматическая межпланетная станция галилео galileo реферат

Обновлено: 05.07.2024

На представленой схеме показано строение КА Галилео. Вес "Галилео" составлял 2223 кг, в т.ч. 118 кг научных приборов, он нес спускаемый аппарат весом 339 кг и был заправлен ракетным топливом массой 925 кг.

Проектирование аппарата началось еще в 1977г, когда было принято решение об изучении атмосферы Юпитера с помощью спускаемого аппарата. Целью миссии было изучение атмосферы Юпитера, спутников и их геологии, магнитосферы, передача изображений планеты и ее спутников и пр. Предполагалось, что "Галилео" будет выведен на земную орбиту с помощью "шатла", а затем разогнан с помощью ракеты "Кентавр" в сторону Юпитера. Однако после гибели "Челенджера" доставка "Кентавра" на орбиту с помощью "шатла" была запрещена. После длительного анализа была найдена траектория полета, значительно экономившая топливо и позволявшая обойтись без "Кентавра". Эта траектория, которую назвали VEEGA (Venus–Earth–Earth Gravity Assist), использовала притяжение Венеры и Земли для грави маневров.
В результате аппарат полетел сначала к Венере и 2 раза прошел мимо Земли прежде чем выйти на траекторию к Юпитеру, а длительность полета до планеты составила почти 6 лет. Тем не менее, это время не было потеряно даром: "Галилео" провел исследования Венеры и двух астероидов. В результате изменения первоначальной траектории аппарату потребовалась дополнительная солнцезащита. Кроме того, поскольку вблизи Солнца аппарат должен был быть повернут определенным образом (чтобы находится в тени солнцезащиты), то использование основной антенны было невозможно. Поэтому решено было не раскрывать ее, пока аппарат не улетит от Солнца на безопасное расстояние, а для поддержания связи была установлена дополнительная антенна (маломощная).
Предполагалось, что после прибытия к Юпитеру "Галилео" проработает два года, переходя с одной орбиты на другую с целью сближения с каждым из крупных спутников. Всего было разработано 11 орбит. В действительности "Галилео" "освоил" гораздо большее число орбит, сделав 35 витков вокруг Юпитера в течение 8 лет.
Вес "Галилео" составлял 2223 кг, в т.ч. 118 кг научных приборов, он нес спускаемый аппарат весом 339 кг и был заправлен ракетным топливом массой 925 кг. Высота от антенны до нижней части аппарата - 5,3 метра, длина выносной конструкции (с магнитометром) - 11 метров. Аппарат разделен на вращающуюся и стабилизированную части.
На аппарате было установлено 4 антенны - основная, 2 маломощных и приемная для связи со спускаемым аппар а том. К несчастью основная антенна не раскрылась и связь с Землей осуществлялась с помощью маломощных антенн (главным образом, за счет антенны, расположенной над основной антенной). Скорость связи составила 160 бит/с вместо 134 Кбит/с. Были разработаны методы сжатия информации (включая обрезание темного космического фона снимков), однако качество некоторых снимков пришлось уменьшить. Нагрузка на основной компьютер резко возросла и частично алгоритмы сжатия выполнялись на компьютере, ответственном за систему ориентации "Галилео". Ленточное устройство хранения информации имело емкость 900 мегабит, однако с ним также возникли проблемы.
Энергию для аппарата вырабатывали две радиоизотопные установки общей мощностью 570 ватт (490 ватт при прибытии к Юпитеру).
Аппарат был оснащен ракетным двигателем мощностью 400 ньютонов (сделанным в ФРГ) и 12-ю малыми двигателями ориентации по 10Н. Торможение при заходе на юпитерианскую орбиту осуществлялось с помощью основного двигателя, а переходы с одной орбиты на другую, как правило, с помощью двигателей ориентации, хотя в двух переходах использовался и основной двигатель.
"Галилео" нес 11 научных инструментов и еще 7 находились на спускаемом зонде.
Аппарат был оборудован камерой, дающей изображения 800х800 пикселей. Камера сделана по принципу телескопа-рефлектора, работала с помощью кремниевых сенсоров и была оборудована различными фильтрами для съемки в том или ином диапазоне. Спектральное разрешение камеры составляло от 0,4 до 1,1 микрометра (видимый диапазон 0,4-0,7 мкм). Радиационную защиту камеры выполняло 1-сантиметровое танталовое покрытие. Разрешение камеры, установленной на "Галилео", в 20 раз превышало показатель камер "Вояджеров", а для некоторых снимков - до 1000 раз.
Спектрометр для картирования в ближней инфракрасной области (NIMS) позволял получать картинку высокого разрешения в инфракрасном диапазоне. С его помощью можно было составлять "температурные карты" , делать выводы о химическом составе поверхности спутников Юпитера, а также опреде л ять тепловые и химические характеристики атмосферы планеты, включая внутренние слои. Диапазон волн, регистрируемых NIMS, составлял от 0,7 до 5,2 мкм.
Фотополяриметр был призван измерять интенсивность и поляризацию света, отраженного/рассеянного от Юпитера и поверхности его спутников. Прибор одновременно выполнял функции поляриметра, фотометра и радиометра. С помощью фотополяриметра делались оценки, касающиеся как состава и структуры атмосферы, так и потоков теплового и отраженного излучения. Поляриметр регистрировал электромагнитные волны длиной до 110 мкм.
Ультрафиолетовый спектрометр работал в диапазоне волн от 54 до 128 нанометров, а дополнительный ультрафиолетовый спектрометр - от 113 до 438 нанометров. С помощью этих приборов определялись характеристики атмосферных газов, полярных сияний, атмосферных свечений и ионизированной плазмы вокруг Юпитера и Ио. Кроме того, ультрафиолетовые спектрометры позволяли определять физическое состояние веществ на поверхности спутников: иней, лед, пескообразная субстанция и т.п.
Ряд приборов (детектор частиц высоких энергий и др.) использовались, главным образом, для изучения плазмы, входящей в магнитосферу Юпитера. Детектор пылевых частиц регистрировал частицы массой от 10 -7 до 10 -16 грамма в космическом пространстве и на орбите Юпитера. Проводились также небесномеханические и радиоэксперименты (по прохождению радиосигнала через ионосферу и атмосферу).
Спускаемый аппарат, массой 339 кг и размером около метра, был оборудован парашютной системой, радиопередатчиком для связи с "Галилео" и семью научными приборами. На нем не было приемной антенны и собственных двигателей. В комплект приборов входили:
- прибор для определения структуры атмосферы (измерение температуры, давления и плотности в течение спуска); - масс-спектрометр (определение химического состава атмосферы); - нефелометр (изучение структуры облаков и характера составляющих их частиц); - прибор для регистрации молний, измерения радиоэмиссий и регистрации заряженных частиц; - прибор для точного измерения доли гелия в атмосфере; - прибор для регистрации потоков излучения и энергии в атмосфере; - использование радиопередатчика для измерения скорости ветра по доплеровскому эффекту. Суммарные расходы на миссию "Галилео" составили 1,5 млрд. долларов.

Полет к Юпитеру и его исследование

Визуальные исследования Юпитера начал ещё Галилео Галилей в 1610 году. Он описал форму Юпитера и открыл четыре его спутника: Ио, Европу, Ганимед и Каллисто. Приводя здесь ещё раз эти известные факты, мы не просто повторя́емся, а хотим этим подчеркнуть огромное значение открытий Галилея, подтвердивших правильность гелиоцентрической системы Коперника. В те времена это имело не просто большое научное, но и по сути своей огромное мировоззренческое значение.

В 1630 году астроном Цукки обнаружил полосы на поверхности Юпитера, располагающиеся параллельно экватору. Как было установлено позднее, так выглядит облачная поверхность бурной атмосферы Юпитера.

В 1664 году Роберт Хук заметил пятна на поверхности Юпитера, а в 1665 году Джан Домени́ко Кассини открыл Большое Красное Пятно. Наблюдение именно за этим Пятном дало возможность Кассини определить период вращения Юпитера вокруг своей оси (9ч 56 мин.). одновременно он вычислил период вращения газовых образований в зоне экватора - 9ч 51 мин. и величину сжатия Юпитера по оси полюсо́в - 1/5 диаметра планеты.

До начала XX века астрономы считали, что атмосфера и внутреннее строение Земли и Юпитера примерно одинаковы. Только с помощью освоенного ме́тода спектрального анализа была внесена ясность в вопрос о составе атмосферы Юпитера. Оказалось, что планету окутывает плотный слой облаков, состоящих из водорода и гелия с примесью метана, аммиака, двуокиси углерода и других соединений.

Полёты автоматических межпланетных станций

Подробные исследования Юпитера и его спутников начались, когда стали возможны полёты автоматических межпланетных станций.

Рассмотрим кратко хронологию и результаты таких исследовательских полётов.

С целью увеличения скорости полета станции для формирования последующих участков траектории был использован пертурбационный маневр (влияние гравитационных сил других планет), который обеспечил станции скорость около 10 км/сек., необходимую для достижения Юпитера по оптимальной траектории. Станция направилась к Венере, обогнула ее в феврале 1990г., вернулась к Земле, пролетела мимо нее в декабре 1990г. и направилась к Юпитеру.

1 — радиоизотопная энергетическая установка;

2 — остронаправленная антенна, используемая для связи с Землей и при проведении радиозатменного зондирования;

3 — вращающаяся секция аппарата;

4 — катушка прибора, регистрирующего волны в плазме;

5 — детектор частиц высокой энергии;

7 — датчик электрического поля прибора, регистрирующего волны в плазме;

8 — прибор для регистрации плазмы в околопланетном пространстве Юпитера;

9 — детектор метеорных частиц;

10 — ультрафиолетовый спектрометр;

11 — твердотельная камера для получения изображений;

12 — радиоизотопная энергетическая установка;

13 — спектрометр для картирования в ближней инфракрасной области;

16 — секция аппарата, снабженная системой противовращения;

17 — антенна для приема информации от отделившегося зонда;

18 — тормозная двигательная установка

Астероид 243 Ида и его спутник Дактиль (светлая точка справа от астероида).

В 1993г. она прошла пояс астероидов, с 7 декабря 1995г. вышла на орбиту Юпитера, и началось планомерное изучение 11 спутников и околопланетного пространства. За 6 лет обращения вокруг Юпитера станция совершила более 30 витков вокруг гигантской планеты, исследуя галилеевы спутники, проходя неоднократно мимо них. Первый раз станция подходила:

27 июня 1996г. станция проходит на расстоянии 894км. мимо спутника Ганимед. Всего было около 6 облетов Ганимеда за 6 лет.

4 ноября 1996.г — Каллисто. Расстояние1104 км. Около 8 облетов.

19 декабря 1996г. — Европа. Расстояние 692 км. Около12 облетов.

11 октября 1999г. — Ио. Расстояние 612 км около 3 облетов.

В период облетов производилась съемка, запись на запоминающее устройство, а информация передавалась на Землю в удобное для этого время. Результаты анализировались, опубликовывались и публикуются сейчас в открытой печати.

На Ганимеде были обнаружены грандиозные массивы льда и высокая вулканическая активность. Ледяная корка не сплошная. Под ледяной коркой твердая основа. Лед на Ганимеде образует цепочки конусов, на вершинах которых зияют черные провалы кратеров. Ученые считают этот спутник Юпитера наиболее пригодным для создания в будущем космических поселений.

Спутник Европа близок по размерам нашей Луне. Поверхность Европы покрыта подвижным ледяным панцирем, состоящим из множества льдин гигантских размеров, между которыми на поверхность выходит вода. Толщина льдин достигает десятки километров. Сталкиваясь в период этого космического ледохода, образуются торосы (по земной терминологии) до тысяч километров высотой. На Европе предполагается высокая активность подводных вулканов. Глубина океана под ледяным панцирем может достигать 200 км.

Первые снимки спутника Каллисто уже дали основания выдвинуть гипотезу, что на глубине 150 км под ледяным слоем находится океан соленой воды. Хотя у Каллисто нет, по мнению ученых, железного сердечника, но колебания магнитного поля были зафиксированы.

С 7 декабря 1995г. АМС проработала 8 лет в системе Юпитера, хотя была рассчитана только на два года интенсивной эксплуатации. Всего за 5 086 суток полета аппарат передал на Землю 14 тыс. изображений.

1. Прямое зондирование атмосферы Юпитера, позволившее выявить наличие в ней многих химических элементов, присущих для планет, образовавшихся из звездной пыли.

2. Обнаружение в атмосфере Юпитера облаков аммиака.
3. Обнаружение активной вулканической деятельности на Ио.
4. Обнаружение сложных плазменных взаимодействий в атмосфере Ио, обеспечивающих устойчивую взаимосвязь Юпитера со своим спутником.
5. Подтверждение теории существования на Европе подледных океанов.
6. Открытие магнитного поля у Ганимеда.

7. Обнаружение свидетельств наличия у Европы, Ганимеда и Каллисто расплавленного внутреннего ядра.

8. Обнаружение на Европе, Ганимеде и Каллисто тонкого слоя атмосферы.
9. Уточнение структуры колец Юпитера.

10. Исследование динамики развития планетарной системы Юпитера в течение достаточно длительного

1. Фрагмент поверхности Европы

2. Поверхность Европы

3. Астероид (243) Ida

4. Поверхность Ганимеда

5. Поверхность Ио

6. Вулканическая деятельность на Ио

7. Поверхность Каллисто

8. Красное пятно

9. Молнии в атмосфере Юпитера и подсвеченные облака

10. Структура колец Юпитера

21 сентября 2003 г. в 19:57:18 UTC (22:57:18 мск) завершился полет американского межпланетного зонда Galileo (20298 / 1989 084В) — космический аппарат на огромной скорости вошел в атмосферу Юпитера и прекратил свое существование. Земля узнала об этом в 19:43:14 UTC (23:43:14 мск), когда прекратился прием радиосигнала от станции. Этой был 35-й виток станции вокруг самой большой планеты Солнечной системы. Завершена одна из самых ярких страниц в истории исследования других небесных тел. Galileo был запущен 18 октября 1989 г. В декабре 1995 г. станция вышла на орбиту вокруг Юпитера. Первоначально ее работа была рассчитана на два года, но, учитывая состояние бортовых систем и достаточное количество топлива в двигательной установке, срок функционирования зонда трижды продлевался.

Отправка станции к Юпитеру связана с множеством технических проблем, особенно в связи с большими потребностями зондов в топливе и жёстким радиационным окружением планеты.

Ряд беспилотных миссий к Юпитеру планируется НАСА и другими космическими агентствами (Европа, Индия, Россия).

Технические требования

Юпитер не имеет твёрдой поверхности для посадки, при наличии плавного перехода между атмосферой планеты и её жидкой средой. Любые зонды при погружении в атмосферу в конечном итоге оказываются раздавлены огромным давлением атмосферы Юпитера. Поэтому все выполненные и планирующиеся миссии к Юпитеру являются лишь пролётными или орбитальными, а также атмосферными (с непосредственным исследованием верхних слоёв атмосферы). Посадочные миссии на Юпитер невозможны. Однако возможны посадки на спутники Юпитера.

Пролётные миссии

Пролётная траектория — это траектория, при которой космический аппарат пролетает мимо планеты на некотором расстоянии, испытывая силу её притяжения.

Вблизи Юпитера КА выполнил уточнение орбит внутренних спутников планеты, в частности Амальтеи. Камеры зонда запечатлели вулканическую активность на Ио, выполнили детальные съёмки всех четырёх Галилеевых спутников и сфотографировали с дальнего расстояния другие спутники (Гималия и Элара). Зонд также позволил изучить Малое красное пятно, магнитосферу и систему колец планеты.

Орбитальные миссии

Основные научные результаты миссии Галилео включают в себя:

первое наблюдение облаков из аммиака в атмосфере другой планеты — атмосфера образует частицы аммиачного льда из материала, поступающего из нижних слоёв.
подтверждение обширной вулканической активности на Ио, которая в 100 раз больше, чем на Земле; температура и частота извержений напоминают историю ранней Земли;
наблюдения сложных взаимодействий плазмы в атмосфере Ио, которые создают огромные электрические токи, соединяющиеся с атмосферой Юпитера;
предоставление доказательств в поддержку гипотезы, что под ледяной поверхностью Европы существуют жидкие океаны;
первое обнаружение существенного магнитного поля у спутника (Ганимед);
данные по измерению магнитного поля, свидетельствующие, что на Европе, Ганимед и Каллисто под видимой поверхностью присутствует жидкий слой солёной воды;
подтверждение наличия на Европе, Ганимеде и Каллисто тонкого слоя атмосферы, известного как поверхностная экзосфера;
установление источника формирования колец Юпитера (из пыли, которая появляется при столкновении межпланетных метеороидов с внутренними четырьмя спутниками Юпитера) и наблюдение двух внешних колец и возможного отдельного кольца вдоль орбиты спутника Амальтея;
идентификация глобальной структуры и динамики магнитосферы планеты-гиганта.

Отменённые миссии

Из-за наличия возможных подземных жидких океанов на спутниках планеты — Европа, Ганимед и Каллисто — наблюдается большой интерес к изучению именно этого явления. Финансовые проблемы и технические трудности привели к отмене проекта Europa Orbiter с высадкой на Европу аппаратов криобота (для работы на ледяной поверхности) и гидробота (для запуска в подповерхностном океане); проект был запланирован НАСА, но был в итоге закрыт в 2002 г. В 2005 году были отменены планы по запуску другого аппарата НАСА Jupiter Icy Moons Orbiter. Европейский проект Jovian Europa Orbiter был заменён на Europa Jupiter System Mission, описанный ниже.

Будущие миссии

В мае 2012 года было объявлено, что ЕSА будет проводить комплексную европейско-российскую миссию Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) по изучению Юпитера и его спутников с предполагаемым океаном под поверхностью (Ганимеда, Каллисто, Европы) c запуском в 2022 году и прибытием в систему Юпитера в 2030 году, в ходе которой российский аппарат совершит посадку на Ганимед.

Пилотируемое изучение

Потенциал колонизации

НАСА предположило возможность добычи веществ из атмосферы внешних планет, включая предполагаемое ядерное топливо гелий-3. Фабрики, размещённые на орбите, могут добывать газ, затем доставляемый орбитальным транспортным кораблём.

Однако система Юпитера создаёт особые неудобства для колонизации из-за тяжёлой радиационной обстановки. Для людей вне защиты дозовая нагрузка будет составлять примерно 3600 бэр в сутки на поверхности Ио и примерно 540 бэр в сутки на поверхности Европы. Получения дозы примерно 0,75 зиверт (75 бэр) одномоментно или в течение непродолжительного времени достаточно, чтобы вызвать острую лучевую болезнь, а около 5 Зв (500 бэр) — летальный исход.

Ганимед — самый большой спутник планеты в Солнечной системе. Ганимед — единственная луна с магнитосферой, но она перекрывается магнитным полем Юпитера. На поверхности Ганимеда мощность эквивалентной дозы составляет примерно 0,08 Зв (8 бэр) в сутки. На Каллисто, находящемся дальше от мощного радиационного пояса Юпитера, мощность дозы равна лишь 0,1 мЗв (0,01 бэр) в сутки. Одной из основных целей HOPE выбраны исследования Каллисто. Обсуждалась возможность строительства базы на поверхности Каллисто, из-за низкого уровня излучения на расстоянии этого спутника от Юпитера и его геологической стабильности. Каллисто является единственным из галилеевых спутников Юпитера, для которого возможно посещение людьми. Уровни ионизирующего излучения на Ио, Европе и Ганимеде неблагоприятны для человеческой жизни, и адекватные защитные меры для этой цели не были разработаны.

Предполагается постройка базы на поверхности, которая могла бы производить топливо для дальнейшего исследования Солнечной системы. В 1997 году был разработан проект Artemis — план колонизации спутника Европа. Согласно этому плану, исследователи должны будут пробурить лёд на поверхности Европы, войти в предполагаемый подповерхностный океан, где предполагается их обитание в искусственном воздушном кармане.

Читайте также: