написанный Уильямом Грэмом 11 июля 2019 год
Российская ракета «Протон-М» - после продолжительного простоя - наконец-то должна запустить обсерваторию «Спектр-РГ». Ожидалось, что «Протон» стартует с космодрома Байконур в прошлом месяце, но потребовалась задержка для замены некоторых неисправных батарей на космическом корабле. С помощью разгонного блока ДМ-03 эта миссия развернет свою полезную нагрузку через два часа после запуска.
Пятничный запуск 12 июля был перенесен на 24 часа до субботы, 13 июля, во время заключительного заседания Государственной комиссии по готовности к запуску примерно за 8 часов до пятничной попытки запуска.
Спутник «Спектр-РГ» - результат международного сотрудничества, возглавляемое Роскосмосом в партнерстве с Германским аэрокосмическим центром, DLR, университетами и исследовательскими институтами в России и Германии. Это второй из трех спутников серии Роскосмоса «Спектр», целью которого является исследование космоса в широком диапазоне электромагнитных частот. «Спектр-РГ» покрывает рентгеновскую область спектра.
«Спектр-РГ», чье название означает «Спектр - Ренген Гамма», следует за спутником «Спектр-Р», запущенным в июле 2011 года. Специализируясь на радиоастрономии, спутник «Спектр-Р» превысил свой пятилетний срок службы, но прекратил работу в январе 2019 года после неожиданной потери связи со спутником.
Попытки восстановить связь продолжались до конца мая, после чего «Спектр-Р» был объявлен потерянным. Третий спутник, «Спектр-УФ», планируется запустить в 2025 году и будет оборудован приборами для наблюдения в видимом и ультрафиолетовом диапазоне.
Миссия «Спектр-РГ» будет опираться на исследования, проведенные предыдущими рентгеновскими астрономическими спутниками, в том числе обсерваторией «Гранат», запущенной Советским Союзом, а затем Россией, с 1989 по 1998 год, и миссией РОСАТ под руководством Германии, которая действовала в период с 1990 по 1999 год.
«Спектр-РГ» предназначен для проведения серии из восьми рентгеновских исследований всего неба, каждая из которых длится шесть месяцев, в течение первых четырех лет работы. Затем начнутся более подробные наблюдения конкретных целей, представляющих интерес при наблюдении на высоких энергиях. Ожидается, что миссия продлится не менее шести и трех четвертей с момента запуска, включая шесть с половиной лет научных наблюдений.
Используя два своих рентгеновских телескопа, основная задача «Спектр-РГ» состоит в том, чтобы найти и нанести на карту все массивные скопления галактик в наблюдаемой вселенной на рентгеновских длинах волн. Наблюдая за Вселенной на рентгеновских длинах волн, «Спектр-РГ» сможет увидеть детали, которые могут быть скрыты при более низких энергиях.
Он также будет искать активные галактические ядра - сверхмассивные черные дыры в сердце других галактик - а также области звездообразования, аккрецирующих звезд белых карликов и звезд с активными коронами, и изучать рентгеновское излучение из межзвездных и межгалактических сред.
Ученые надеются, что спутник поможет лучше понять роль темной материи и темной энергии в создании структуры Вселенной, а также жизненных циклов сверхмассивных черных дыр.
«Спектр-РГ» первоначально был спроектирован как российская многонациональная исследовательская миссия, начало которой запланировано на 1995 год при участии Соединенных Штатов, Израиля, Турции и Европейского космического агентства. Программа была отменена в 2002 году, но некоторые из ее инструментов уже были построены, в том числе телескоп JET-X, который сейчас висит в лондонском Музее науки. Проект «Спектр-РГ» был восстановлен в 2005 году при участии Германии и включал полную модернизацию спутника.
Модернизированный «Спектр-РГ» был предназначен для полета на РН «Зенит-3Ф», однако позднее он был перенесен на РН «Протон», которая доставит его на орбиту - «Зенит», который изначально был построен для миссии «Спектр-РГ», был запущен в конце 2017 года с ангольским спутником «Angosat-1» на борту.
НПО "Лавочкин" построило космический аппарат «Спектр-РГ» на своей платформе «Навигатор», которая ранее использовалась для метеорологических спутников серии «Электро-Л» и спутника «Спектр-Р». Платформа включает в себя топливную и двигательную установки и обеспечивает трехосную стабилизацию и контроль. Может генерировать 1805 Вт энергии от двух развертываемых солнечных батарей. Спутник связывается с землей через антенну X-диапазона. «Спектр-РГ» имеет общую массу при запуске 2712,5 кг (5980,0 фунтов), включая топливо.
После запуска «Спектр-РГ» потребуется около трех месяцев, чтобы выйти на свою рабочую орбиту и завершить начальные испытания и калибровку. Спутник будет работать на гало-орбите вокруг точки Лагранжа L2 между Землей и Солнцем, расположенной в 1,5 миллиона километров (0,93 миллиона миль, 0,81 миллиона морских миль) от Земли в направлении, противоположном Солнцу.
В этой точке пространства взаимодействие гравитационного притяжения Солнца и Земли удерживает космический аппарат в том же положении относительно последнего. «Спектр-РГ» потребуется около шести месяцев, чтобы завершить орбиту вокруг этой точки в космосе, и один год, чтобы совершить оборот вокруг Солнца и Земли.
Поскольку она помещает Землю между спутником и Солнцем, точка L2 идеально подходит для космических аппаратов, оборудованных чувствительными инструментами, которые должны храниться при низких температурах. Для «Спектр-РГ» это упрощает требования к охлаждению для его рентгеновских детекторов.
«Спектр-РГ» несет две полезные нагрузки для астрономии: Астрономический рентгеновский телескоп - концентратор рентгеновских лучей (ART-XC) и Расширенное рентгеновское исследование с матрицей телескопа для визуализации (eROSITA).
Телескоп ART-XC содержит оптическую базу с семью зеркальными модулями, фокусирующую падающее излучение на семь детекторов на другом конце структуры из углеродного волокна. Он разработан Институтом космических исследований РАН в сотрудничестве с Российским федеральным ядерным центром.
Детекторы ART-XC, в которых используется полупроводник из теллурида кадмия, имеют размеры 30 на 30 миллиметров (1,2 на 1,2 дюйма) и имеют толщину 1 мм (39 тыс.). Зеркальные сборки, каждая из которых содержит 28 отдельных зеркальных оболочек, были построены Центром космических полетов им. Маршалла НАСА. Зеркала состоят из сплава никель / кобальт с иридиевым покрытием и расположены во вложенной структуре с увеличивающимися диаметрами, чтобы максимизировать количество фотонов, сфокусированных на детекторах. Общий вес прибора составляет 350 килограммов (771 фунт), и он потребляет 300 Вт энергии от Спектр-РГ.
Радиатор встроен в прибор ART-XC, чтобы детекторы телескопа находились вблизи проектной рабочей температуры -20 градусов по Цельсию (-4 градуса по Фаренгейту, 253 Кельвина), в то время как солнцезащитный экран защищает оптику. С фокусным расстоянием 2,7 метра (8,9 фута) ART-XC может наблюдать высокоэнергетическое рентгеновское излучение от 5 до 30 килоэлектронвольт (длина волны от 0,25 до 0,041 нанометра) с полем зрения в 0,3 кв. Градуса и угловым разрешением, равным 45 угловых секунд.
Помимо участия в обзоре неба «Спектр-РГ», ART-XC будет регистрировать переходные рентгеновские события и пытаться определить их источники. Он также будет фиксировать массу и физические свойства аккрецирующих звезд белого карлика - двойных систем, где белый карлик снимает материал со звезды-компаньона.
Телескоп eROSITA является немецким вкладом в миссию, а Институт внеземной физики им. Макса Планка ведет исследования. В то время как ART-XC предназначен для изучения высокоэнергетического или «жесткого» рентгеновского излучения, eROSITA будет наблюдать «мягкое» рентгеновское излучение с более низкой энергией в диапазоне от 0,3 до 11 кэВ (длина волны от 4,1 до 0,12 нм).
Как и российский прибор, eROSITA состоит из семи детекторов с независимыми зеркальными узлами, разделенными рентгеновскими перегородками. Каждый модуль содержит 54 отдельных позолоченных никелевых зеркала, а квадратные детекторы изготовлены из кремния со сторонами 28,8 мм (1,13 дюйма) и пассивно охлаждаются до -95 градусов по Цельсию (-139 градусов по Фаренгейту, 178 Кельвинов) с помощью радиатора и система тепловых труб.
eROSITA имеет фокусное расстояние 1,6 метра (5,2 фута) и может захватывать поле зрения 0,81 квадратного градуса при угловом разрешении 18 угловых секунд. Он имеет массу 815 кг (1797 фунтов) и потребляет 405 ватт от исходного космического корабля.
eROSITA будет специализироваться на обнаружении аккрецирующих черных дыр и двойных звездных систем и изучении рентгеновского излучения от других явлений, таких как звезды до главной последовательности и остатки сверхновых. Он также отобразит межгалактическую среду и филаменты между скоплениями галактик.
Различные энергетические диапазоны двух приборов дополняют друг друга, что позволяет «Спектр-РГ» охватывать практически весь спектр рентгеновского излучения. Перекрытие при энергиях от 5 до 11 кэВ позволяет калибровать телескопы друг относительно друга и проверять наблюдения друг друга.
Вывод «Спектр-РГ» на орбиту будет происходить на борту российской РН «Протон-М» с разгонным блоком «ДМ-03».
Построенный Государственным научно-производственным космическим центром им.Хруничева, «Протон» на протяжении многих лет был самой мощной оперативной РН на российском флоте и использовался для развертывания геостационарных спутников, межпланетных миссий и более тяжелых полезных нагрузок, предназначенных для более низких орбит. «Блок ДМ-03» представляет собой эволюцию серии разгонных блоков «Блок-Д» и выведет «Спектр-РГ» на орбиту своего развертывания после того, как трехступенчатый базовый РН «Протон» завершит свою роль в миссии.
Первые три ступени «Протона» сжигают пригодный для хранения гиперголический пропеллент: несимметричный диметилгидразин, который окисляется тетроксидом азота. «Блок ДМ-03» сжигает керосин РГ-1, окисленный жидким кислородом.
РН «Протон» возник из концепции Владимира Челомея «УР - универсальная ракета» - серии РН, использующих общую технологию, предложенную в Советском Союзе в 1960-х годах. УР-500 был спроектирован как двухступенчатая ракета для доставки самого тяжелого ядерного оружия на межконтинентальные расстояния, однако вместо этого он нашел применение для запуска спутников.
Четыре УР-500 были запущены в 1965 и 1966 годах с полезными нагрузками по физике высоких энергий под названием Протон. После этих первых запусков ракета была адаптирована для орбитальных миссий, включая добавление третьей ступени, и получившаяся в результате машина УР-500K быстро стала известна как РН «Протон-К».
Первоначальное применение РН «Протон-К» было в программе освоения космоса Советским Союзом, запуска испытательных полетов окололунной версии космического корабля «Союз-7K-L1» - и зондов, направлявшихся на Луну, Марс и позднее на Венеру. Космические станции «Салют» были запущены аппаратами «Протон-К», как и все модули более поздней космической станции «Мир», за исключением стыковочного отсека, доставленного космическим кораблем США, и модулей «Заря» и «Звезда» Международной космической станции.
«Протон-К» оставался в эксплуатации до 2012 года, и после замены на «Протон-М» его использование прекратилось. «Протон-М» впервые полетел в 2001 году как модернизированная версия «Протон-К», включающая цифровые системы управления полетом и более мощные двигатели первой ступени.
Дальнейшие обновления с момента ее внедрения увеличили полезную нагрузку ракеты, чтобы позволить ей конкурировать за коммерческие контракты на запуск с международными заказчиками. С конца 1990-х годов и в течение большей части 2000-х годов РН «Протон» стал рабочей лошадкой для коммерческих спутниковых операторов, однако возросшая конкуренция и серия аварий привели к тому, что доля «Протон» на рынке сократилась, что привело к снижению скорости запуска в течение последних нескольких лет.
При полете на более высокие орбиты «Протон» требуется четвертая ступень, чтобы перенести полезную нагрузку с начальной низкоорбитальной орбиты или суборбитальной траектории до конечного пункта назначения.
Разгонный блок «Блок-Д» был представлен вместе с ««Протон-К» для этой цели, после чего последовала серия обновленных версий, включая Блок-ДМ, ДM-2, Д-1, Д-2 и ДM-2M. «Блок ДМ-03», который будет использоваться для этого запуска, является увеличенной версией блока ДМ-2 с вытянутыми резервуарами с топливом, который впервые полетел в 2010 году. Он был изготовлен РКК «Энергия».
Запуск «Спектр-РГ» станет четвертым полетом «Блок ДМ-03», первый полет которого в декабре 2010 года закончился неудачей после того, как инженеры загрузили слишком много топлива в новую верхнюю ступень, сделав «Протон» слишком тяжелым, чтобы достичь запланированной орбиты.
Второй запуск с «ДМ-03», в июле 2013 года, также не состоялся, так как «Протон-M» вышел из-под контроля через несколько секунд после старта - результат неправильной установки датчика на первой ступени ракеты-носителя. С третьей попытки «Блок ДM-03» успешно вывел спутник связи «Ekspress AM-8» на орбиту в сентябре 2015 года.
Полет «Протона» начнется с зажигания шести двигателей первой ступени РД-275 и взлета ракеты из стартового комплекса на площадке 81/24 космодрома Байконур.
Это одна из четырех стартовых площадок РН «Протон», которые были построены на Байконуре, две из которых остаются активными, «Площадка 24»используется главным образом для запусков Правительства России, а «Площадка 39» на соседней «Зоне 200» использовался для новых коммерческих запусков в последние годы, хотя ни одна из площадок не является исключительно привязанной к роли. Ожидается, что «Площадка 24» будет выведена из эксплуатации к концу следующего года, после чего «Площадка 39» возьмет на себя все обязанности по запуску «Протон» до запланированного выведения ракеты из эксплуатации в конце следующего десятилетия.
Первая ступень «Протон» состоит из шести радиальных топливных баков, сгруппированных вокруг центрального бака окислителя - конструкция, выбранная для облегчения железнодорожной перевозки ракеты, при этом каждый компонент находится в пределах максимальной ширины, которую можно доставить на место запуска на поезде. Топливные баки, каждый из которых имеет двигатель на своей базе, могут быть удалены и установлены заново после прибытия «Протон» на Байконур. Первая ступень «Протон» будет работать в течение 123,8 секунд с момента запуска.
Когда первая ступень приближается к выгоранию, ракета начинает последовательность разделения ступеней. Вторая ступень воспламеняется до того, как происходит разделение, при этом выхлопные газы выходят через решеточную межступенчатую конструкцию, которая соединяет две ступени. После того, как четыре двигателя второй ступени начнут работать, отработанная первая ступень отбрасывается. Этот метод разделения «огонь в яме» позволяет удерживать топливо второй ступени в баках, устраняя необходимость в дополнительных двигателях, чтобы помочь в его запуске, и распространен на российских ракетах.
Вторая ступень «Протона» приводится в действие тремя двигателями РД-0210 и одним РД-0211. Они практически идентичны, единственное отличие заключается в наличии дополнительного оборудования на РД-0211, которое используется для поддержания давления в топливных баках. Вторая ступень будет работать в течение трех минут и 27,6 секунды, прежде чем уступить место третьей ступени и отделиться.
Силовой модуль РД-0212, состоящий из главного двигателя РД-0213 и двигателя РД-0214 с четырьмя управляемыми камерами для контроля ориентации, обеспечивает работу третьей ступени «Протон». Чуть менее чем через тринадцать секунд после четырехминутного 12,5-секундного прожига обтекатель полезной нагрузки «Протон» отделится от «Спектр-РГ» впервые открыв спутник. Обтекатель, который защищает спутник во время его прохождения через атмосферу Земли, больше не нужен, когда ракета достигает космоса, и сбрасывается для уменьшения веса.
После завершения работы, третья ступень «Протон» также будет отброшена. Через шесть минут двигатель Блока ДМ-03 РД-58М начнет работу в первом из двух запланированных включений. Первое включение, продолжающееся около двух минут, установит верхнюю ступень и полезную нагрузку на первоначальной парковочной орбите, где они могут дождаться подходящего положения для следующего включения. Эта фаза продлится около 78 минут, а второе включение займет около девяти минут.
Спустя четырнадцать минут после окончания второго включения, «Спектр-РГ» отделится от «Блока ДМ-03». Отделение космического корабля означает конец роли «Протона» в миссии спутника и начало серии маневров, которые доставят спутник на запланированную станцию. Ожидается, что космический корабль впервые установит контакт со своими наземными станциями примерно через восемь минут после отделения от ракеты-носителя, прежде чем развернуть свои солнечные батареи, установить блокировку на Солнце и включить прибор eROSITA в течение двух часов.
Этот запуск (до задержки) должен был стать вторым, менее чем за месяц, для «Протона», после пятимесячного перерыва между двумя предыдущими миссиями ракеты. Впервые с сентября 2015 года «Протон» полетел с верхней ступенью «Блока ДM-03», причем последние тринадцать «Протонов» использовали верхнюю ступень «Бриз-М» с хранимым топливом. «Бриз-М», хорошо подходит для сложных длительных многократных маневров, необходимых для развертывания геостационарных спутников связи с Байконура, используется для большинства запусков «Протон»а.
Следующий запуск «Протона» будет когда связка «Протон-М/Бриз-М» выведет спутник связи «Благовест» для российских военных.
Оригинал:
https://www.nasaspaceflight.com/2019/07/russian-proton-m-spektr-rg-observatory/