Когато пътувате до далечни земи, човек се опакова внимателно. Това, което носите, трябва да е изчерпателно, но не толкова, че да е в тежест. И след като пристигнете, трябва да сте готови да направите нещо изключително, за да направите дългото пътуване полезно.
Предишната статия на Space Magazine „Как да кацнете на комета?“ описа техниката за кацане на Фила върху комета 67P / Чурюмов-Герасименко. Но какво ще направи земеделският производител, след като пристигне и се засели в новата си среда? Както каза Хенри Дейвид Торе, "Не си струва да обикаляте света, за да преброите котките в Занзибар." Така е и със земеделския производител Rosetta Philae. Със сценичната площадка - избрано място за кацане и дата на кацане 11 ноември, кацателят на Фила е оборудван с внимателно обмислен набор от научни инструменти. Изчерпателна и компактна, Philae е като нож от инструменти на швейцарската армия за извършване на първото (на място) изследване на комета.
Сега, помислете за научните инструменти за Фила, които са избрани преди около 15 години. Както всеки добър пътешественик, трябваше да се определят бюджети, които функционират като ограничения при избора на инструменти, които могат да бъдат опаковани и пренесени по време на пътуването. Имаше максимално тегло, максимален обем и мощност. Крайната маса на Philae е 100 кг (220 фунта). Обемът му е 1 × 1 × 0,8 метра (3,3 × 3,3 × 2,6 фута) приблизително с размерите на пещ с четири горелки. Въпреки това, Philae трябва да функционира на малко количество съхранена енергия при пристигането си: 1000 Watt Hours (еквивалент на 100 вата крушка, работеща за 10 часа). След като тази мощност се изтощи, тя ще произвежда максимум 8 вата електроенергия от слънчеви панели, които да се съхраняват в батерия от 130 Watt-Hour.
Без никаква увереност, че ще кацнат щастливо и ще произвеждат повече мощност, дизайнерите на Philae предоставят батерия с голям капацитет, която се зарежда само веднъж от първичните слънчеви масиви на космически кораби (64 кв.м) преди слизането към кометата. С първоначалната последователност на научните команди на борда на Philae и мощността на батерията, съхранявана от Rosetta, Philae няма да губи време за започване на анализ - не за разлика от криминалистичния анализ - за извършване на "дисекция" на комета. След това те използват по-малката батерия, която ще отнеме поне 16 часа за презареждане, но ще позволят на Philae да изучава 67P / Churyumov-Gerasimenko за потенциални месеци.
В землището на Philae има 10 пакета с инструменти за наука. Инструментите използват абсорбирана, разпръсната и излъчвана светлина, електрическа проводимост, магнетизъм, топлина и дори акустика за анализ на свойствата на кометата. Тези свойства включват повърхностната структура (морфология и химичен състав на повърхностния материал), вътрешната структура на P67 и магнитното поле и плазмите (йонизирани газове) над повърхността. Освен това Philae има рамо за един инструмент, а основното тяло на Philae може да се завърти на 360 градуса около Z-оста. Постът, който поддържа Philae и включва амортисьор.
CIVA и ROLIS системи за изображения. CIVA представлява три камери, които споделят част от хардуера с ROLIS. CIVA-P (Panoramic) е седем идентични камери, разпределени около тялото на Philae, но с две функциониращи в тандем за стерео изображения. Всеки има зрително поле с 60 градуса и използва като 1024 × 1024 CCD детектор. Както повечето хора си спомнят, цифровите фотоапарати бързо напреднаха през последните 15 години. Образците на Philae са проектирани в края на 90-те години на миналия век, близо до най-съвременните, но днес те са надминати, поне по брой пиксели, от повечето смартфони. Но освен хардуер, обработката на изображения в софтуера също е напреднала и изображенията могат да бъдат подобрени, за да се удвои тяхната разделителна способност.
CIVA-P ще има непосредствената задача, като част от първоначалната автономна последователност на командите, да изследва целия площадка за кацане. Изключително важно е за внедряването на други инструменти. Той също така ще използва завъртането на Z-оста на тялото на Philae за изследване. CIVA-M / V е микроскопичен 3-цветен датчик (резолюция 7 микрона), а CIVA-M / I е близък инфрачервен спектрометър (диапазон на дължината на вълната от 1 до 4 микрона), който ще инспектира всяка от пробите, които се доставят на фурните COSAC & PTOLEMY преди нагряването на пробите.
ROLIS е единична камера, също с 1024 × 1024 CCD детектор, с основната роля за проучване на мястото за кацане по време на фазата на спускане. Камерата е фиксирана и насочена надолу с обектив с регулируем фокус f / 5 (f-отношение) със зрително поле с 57 градуса. По време на спускане той е настроен на безкрайност и ще прави снимки на всеки 5 секунди. Електрониката му ще компресира данните, за да сведе до минимум общите данни, които трябва да се съхраняват и предават на Rosetta. Фокусът ще се регулира точно преди натискането, но след това камерата функционира в макро режим, за да спектроскопично изследва кометата непосредствено под Фила. Въртенето на тялото на Philae ще създаде „работен кръг“ за ROLIS.
Многофункционалният дизайн на ROLIS ясно показва как учените и инженерите са работили заедно за цялостно намаляване на теглото, обема и консумацията на енергия и правят Philae възможно и заедно с Rosetta се вписват в границите на полезния товар на ракетата, ограничения на мощността на слънчевата енергия клетки и батерии, ограничения на системата за команди и данни и радиопредаватели.
APXS. Това е Рентгенов спектрометър Alpha Proton, Това е почти задължителен инструмент на ножа на швейцарския армейски космически учен. APXS спектрометрите се превърнаха в общо закрепване във всички мисии на Mars Rover, а Philae е модернизирана версия на Mars Pathfinder. Наследството на дизайна на APXS са ранните експерименти на Ърнест Ръдърфорд и други, които доведоха до откриването на структурата на атома и квантовата природа на светлината и материята.
Този инструмент има малък източник на емисии на частици от Алфа (Curium 244), от съществено значение за неговата работа. Принципите на Ръдърфорд Обратно разпръскване на частици от Алфа се използват за откриване на наличието на по-леки елементи като Водород или Берилий (тези, близки до масата на частица Алфа, ядро на Хелий). Масата на такива по-леки елементарни частици ще абсорбира измеримо количество енергия от частицата Алфа по време на еластичен сблъсък; както се случва в Ръдърфорд, разпръснал гръб близо до 180 градуса. Някои частици от Алфа обаче се абсорбират, а не се отразяват от ядрата на материала. Поглъщането на частица от Алфа предизвиква излъчване на протона с измерима кинетична енергия, която е уникална и за елементарната частица, от която е дошла (в кометния материал); това се използва за откриване на по-тежки елементи като магнезий или сяра. И накрая, електроните на вътрешната обвивка в материала, който представлява интерес, могат да бъдат изтласкани от алфа частици. Когато електроните от външните обвивки заместват тези загубени електрони, те излъчват рентгенов лъч със специфична енергия (квантова), която е уникална за тази елементарна частица; по този начин се откриват по-тежки елементи като желязо или никел. APXS е въплъщение на физиката на частиците от 20-ти век.
CONSERT. COmet Nucleus Sounding Experiment чрез радиовълново предаване, както подсказва името, ще предава радиовълни в ядрото на кометата Орбитата Rosetta предава 90 MHz радиовълни и едновременно Фила застава на повърхността, за да приеме с кометата, пребиваваща между тях. Следователно времето на пътуване през кометата и останалата енергия на радиовълните е подпис на материала, чрез който тя се разпространява. Много радиопредавания и приеми от CONSERT чрез множество ъгли ще бъдат необходими за определяне на вътрешната структура на кометата. Подобно е на това как човек може да усети формата на сенчест предмет, застанал пред теб, като се насочиш към главата си наляво и надясно, за да гледаш как се променя силуета; като цяло мозъкът ви възприема формата на обекта. С CONSERT данните е необходим сложен процес на деконволюция, използващ компютри. Прецизността, до която е известен интериорът на кометата, се подобрява с повече измервания.
MUPUS. Многоцелеви сензор за наука за повърхности и подземни повърхности е набор от детектори за измерване на енергийния баланс, топлинните и механичните свойства на кометата и повърхността на кометата до дълбочина от 30 см (1 фут). Има три основни части към MUPUS. Има PEN, който е тръбата за проникване. PEN е прикрепен към ударна ръка, която се простира до 1,2 метра от тялото. Разгръща се с достатъчна сила надолу, за да проникне и зарови PEN под повърхността; възможни са множество удари с чук. На върха или котвата на PEN (тръбата на пенетратора) е акселерометър и стандартен PT100 (термометър за устойчивост на платина). Заедно, сензорите за котва щеопределете профила на твърдостта на мястото за кацане и термичната дифузия на крайната дълбочина [ref], Докато прониква през повърхностите, повече или по-малко забавяне показва по-твърд или по-мек материал. PEN включва масив от 16 термични детектора по дължината му за измерване на подземни температури и топлопроводимост. PEN също има топлинен източник за предаване на топлина на кометарен материал и измерване на неговата топлинна динамика. При изключен източник на топлина детекторите в PEN ще следят температурния и енергийния баланс на кометата, когато тя се приближава до Слънцето и се загрява. Втората част е MUPUS TM, радиометър над PEN, който ще измерва топлинната динамика на повърхността. TM се състои от четири термопилеви сензора с оптични филтри за покриване на обхват на дължината на вълната от 6-25 µm.
SD2 Устройството за пробиване и разпределение на проби ще проникне в повърхността и подземната повърхност на дълбочина 20 cm. Всяка извлечена проба ще бъде с обем от няколко кубически милиметра и разпределена в 26 фурни, монтирани върху въртележка. Фурните загряват пробата, която създава газ, който се подава към газовите хроматографи и масспектрометрите, които са COSAC и PTOLEMY. Наблюденията и анализите на APXS и ROLIS данни ще бъдат използвани за определяне на местата за вземане на проби, като всички те ще бъдат на „работен кръг“ от въртенето на тялото на Philae около неговата Z-ос.
КОСАК Комерно вземане на проби и състав експериментирате. Първият газов хроматограф (GC), който видях, беше в колегиална лаборатория и се използва от ръководителя на лабораторията за криминалистични изследвания в подкрепа на местното полицейско управление. Намерението на Фила е нищо по-малко от това да извърши криминалистични тестове на комета на сто милиона мили от Земята. Фила е ефективно шпионското стъкло на Шерлок Холмс, а Шерлок са всички изследователи на Земята. Газовият хроматограф COSAC включва масспектрометър и ще измерва количествата елементи и молекули, особено сложни органични молекули, съставляващи кометен материал. Докато първата лаборатория GC, която видях, беше по-близка до размера на Philae, двата GC в Philae са с размерите на кутиите за обувки.
Птолемей. Еволюиран газов анализатор [ref], различен тип газов хроматограф. Целта на Птолемей е да измери количествата специфични изотопи, за да се изведат изотопните съотношения, например, 2 части изотоп С12 към една част С13. По дефиниция изотопите на даден елемент имат еднакъв брой протони, но различен брой неутрони в своите ядра. Един пример са 3-те изотопа на въглерод, С12, С13 и С14; числата са броят на неутроните. Някои изотопи са стабилни, докато други могат да бъдат нестабилни - радиоактивни и да се разпадат в стабилни форми на същия елемент или в други елементи. Интересът на изследователите на Птолемей е съотношението на стабилни изотопи (естествени, а не тези, които са засегнати или са резултат от радиоактивно разпадане) за елементите H, C, N, O и S, но по-специално въглерода. Коефициентите ще бъдат показателни показатели за това къде и как се създават кометите. Досега спектроскопичните измервания на кометите за определяне на изотопните съотношения са били от разстояние и точността е била недостатъчна за изготвяне на категорични изводи за произхода на кометите и как кометите са свързани със създаването на планети и еволюцията на Слънчевата мъглявина, родно място на нашата планетарна система, заобикаляща Слънцето, нашата звезда. Еволюиращият газов анализатор ще загрее проба (~ 1000 С), за да превърне материалите в газообразно състояние, което спектрометърът може много точно да измерва количествата. Подобен инструмент, TEGA (Thermal Evolved Gas Analyzer), беше инструмент на касата на Mars Phoenix.
SESAME Експеримент за повърхностно електрическо озвучаване и акустичен мониторингТози инструмент включва три уникални детектора. Първият е SESAME / CASSE, акустичният детектор. Всеки крак за кацане на Philae има акустични излъчватели и приемници. Всеки от краката ще се превръща в обороти, предаващи звукови вълни (100 Hertz до KiloHertz) в кометата, която сензорите на другите крака ще измерват. Как тази вълна е отслабена, тоест отслабена и трансформирана от комерсния материал, през който преминава, може да се използва заедно с други комерсиални свойства, получени от инструментите на Фила, за определяне на дневни и сезонни изменения в структурата на кометата до дълбочина около 2 м. Също така, в пасивен (слушащ) режим, CASSE ще следи звуковите вълни от скърцане, стенания вътре в кометата, причинени потенциално от напрежения от слънчево нагряване и отпускане на газове.
Следва детектора SESAME / PP - сондата за пропускливост. Пропускливостта е мярката на съпротивлението, което материалът има към електрическите полета. SESAME / PP ще достави в кометата осцилиращо (синусоидално) електрическо поле. Краката на Philae носят приемниците - електроди и променливотокови генератори, които излъчват електрическото поле. По този начин се измерва устойчивостта на кометния материал на дълбочина около 2 метра, осигуряваща още едно съществено свойство на кометата - пропускливостта.
Третият детектор се нарича SESAME / DIM. Това е броячът на кометния прах. Имаше няколко справки, използвани за съставяне на тези описания на инструментите. За този инструмент има, както бих нарекъл, красиво описание, което просто ще цитирам тук с позоваване. „Кубът за мониторинг на праха (DIM) върху балкона на Lander е сензор за прах с три активни ортогонални (50 × 16) мм пиезо сензори. От измерването на преходното пиково напрежение и продължителността на половин контакт могат да бъдат изчислени скоростите и радиусите на въздействащите прахови частици. Могат да бъдат измерени частици с радиуси от около 0,5 µm до 3 mm и скорости от 0,025-0,25 m / s. Ако фоновият шум е много висок или скоростта и / или амплитудите на сигнала за разрушаване са твърде високи, системата автоматично преминава в така наречения среден непрекъснат режим; т.е. ще се получи само средният сигнал, който дава мярка за праховия поток. " [Код]
ROMAP Rosetta Lander магнитометър и плазма детекторът включва и трети детектор, сензор за налягане. Няколко космически кораба са прелетели от комети и вътрешно магнитно поле, един създаден от ядрото на кометата (основното тяло) никога не е открит. Ако съществува вътрешно магнитно поле, вероятно е много слабо и кацането на повърхността би било необходимо. Намирането на такъв би било изключително и би превърнало теориите за кометите на главата им. Филае е с нисък магнитометър.
Земното магнитно (В) поле около нас се измерва в 10-те хиляди нано-тесла (единица SI, милиардна част от Tesla). Отвъд земното поле планетите, астероидите и кометите са потопени в магнитното поле на Слънцето, което близо до Земята се измерва с едноцифрени числа, 5 до 10 нано-Тесла. Детекторът на Philae има обхват от +/- 2000 nanoTesla; диапазон за всеки случай, но такъв, който се предлага лесно от флюсовете. Има чувствителност 1/100 от наноТесла. И така, ESA и Rosetta дойдоха подготвени. Магнитометърът може да открие много минутно поле, ако е там. Сега нека разгледаме плазмения детектор.
Голяма част от динамиката на Вселената включва взаимодействието на плазмено-йонизирани газове (обикновено липсват един или повече електрони, като по този начин носи положителен електрически заряд) с магнитни полета. Кометите също включват такива взаимодействия и Philae носи плазмен детектор за измерване на енергията, плътността и посоката на електроните и на положително заредените йони. Активните комети отделят по същество неутрален газ в космоса плюс малки твърди частици (прах). Ултравиолетовото лъчение на Слънцето частично йонизира кометарния газ на опашката на кометата, тоест създава плазма. На известно разстояние от ядрото на кометата, в зависимост от това колко гореща и плътна е тази плазма, има противопоставяне между магнитното поле на Слънцето и плазмата на опашката. Полето на Слънцето B се изплъзва около опашката на кометата, като бял лист, начертан върху трикотаж на Хелоуин, но без очи.
Така че на повърхността на P67, детекторът ROMAP / SPM на Philae, електростатичните анализатори и сензорът за Faraday Cup ще измерват свободни електрони и йони в не толкова празното пространство. "Студена" плазма заобикаля кометата; SPM ще открие йонна кинетична енергия в диапазона от 40 до 8000 електрон-волта (eV) и електрони от 0,35 eV до 4200 eV. Не на последно място, ROMAP включва сензор за налягане, който може да измерва много ниско налягане - милионна или милиардна или по-малка от налягането на въздуха, на което се радваме на Земята. Използва се вакуумно устройство Penning, което йонизира главно неутралния газ близо до повърхността и измерва генерирания ток.
Philae ще носи 10 инструментални пакета до повърхността на 67P / Churyumov-Gerasimenko, но общо десетте представляват 15 различни типа детектори. Някои са взаимозависими, тоест за да се получат определени свойства, човек се нуждае от множество набори от данни. Кацането на Фила на повърхността на кометата ще осигури средствата за измерване на много свойства на комета за юмручното време и други със значително по-голяма точност. Като цяло учените ще се доближат до разбирането на произхода на кометите и техния принос за развитието на Слънчевата система.
