Pealeht » Kosmosest » Üldiselt » Süvakosmose sondid
Prindi

Süvakosmose sondid

Kosmose ajastu algusest peale on toimunud kümneid sondide missioone Kuule ja Päikesesüsteemi äärealadele ning planeetidele. Esimeseks oli 1959. a. jaanuaris startinud NSVL-i Luna-1, mis pidi jõudma Kuu pinnale, kuid lahkus navigatsioonivea tõttu Maa gravitatsiooniväljast ja osutus esimeseks sondiks Päikese orbiidil. Vaid ainult 5 kosmosesondi on ületanud III. kosmilise kiiruse (vajalik Päikese gravitatsiooni ületamiseks) ja lendavad nüüd väljapoole Päikesesüsteemi. Need on 1972. ja 1973. aa. startinud Pioneer 10 ja Pioneer 11; 1977. a. startinud Voyagerid 1 ja 2; ning lõpuks 2006. a. startinud New Horizons. Selles artiklis vaatleme neid missioone ja nende põhitulemusi.

 

Lend kaugplaneetidele

Hiidplaneedid (Jupiter, Saturn, Uraan, Neptun) ja Pluuto asuvad Päikesest palju kaugemal kui Maa, keskmiselt vastavalt 5,2 aü; 9,5 aü; 19,2 aü; 30,1 aü; ja 39,5 aü, kus aü on astronoomiline ühik – keskmine kaugus Maa ja Päikese vahel. Sel põhjusel on nendele lend väga aeganõudev. Nt lend Neptuunile optimaalsel, nn Hohmanni trajektooril võtaks üle 60 aasta. Lennuaja vähendamiseks peab kosmosesondi kiirust aga võimalikult palju suurendama. See tähendab, et tuleb loobuda optimaalsest trajektoorist kiirema trajektoori kasuks, mis tähendab sondi massi vähendamist. Eksisteerib meetod, millega saab kiiruse juurdekasvu ilma kütuse kuluta: see on nn gravitatsiooniline manööver. Kui sond lendab suurest planeedist mööda sobival trajektooril, saab ta impulsi (seega ka kiiruse) juurdekasvu ja jätkab lendu kaugemale planeedile veel suurema kiirusega. Seda meetodit on kasutatud kõikidel eelpool mainitud missioonidel. Kõik sondid lahkusid Maalt III. kosmilisest kiirusest väiksema kiirusega. Pioneerid 10 ja 11 lendasid Jupiterist mööda ning hiidplaneet andis neile piisavalt suure „tõuke“ Päikesesüseemist lahkumiseks. Pioneer 11 jõudis veel Saturnigi uurida. Jupiteri gravitatsiooniväli kiirendas ka Voyagere 1 ja 2 nii, et nad saaksid jõuda Saturnini. Voyager2 puhul kasutati Saturni gravitatsiooni Uraanile jõudmiseks, mille gravitatsioon võimaldas sondil lennata ka Neptuunile. New Horizons lahkus Maalt rekordkiirusega ca 16,26 km/s, (suurem, kui kõikidel eelnevatel kosmosesondidel). Ikkagi oli see kiirus III. kosmilisest kiirusest väiksem. Jupiteri möödalend andis aga sondile niivõrd suure „tõuke“, et see jõudis Pluutoni vähem kui 10 aastaga (Pluuto asus sel hetkel kaugusel ca 33 aü Päikeselt, ning lend Hohmanni trajektooril oleks kestnud sinna ca 70 aastat. Sondi praegune kiirus Päikese suhtes ei ole aga kõige suurem: ta läbib oma teekonda ca 14 km sekundis, kusjuures suurema kiiruse juurdekasvu Jupiterilt saanud Voyager 1 liigub rekordkiirusega ca 17,1 km/s.

Kõik need sondid olid valmistatud NASA juhendamisel. Ameerika ainus tolleaegne konkurent kosmoses, NSVL, ei ole kunagi püüdnud saata kosmosesonde nii kaugele, kuigi vastavad projektid eksisteerisid. Põhjuseks oli see, et kuigi NSVL-il oli võimas kanderakett „Proton“, ei olnud tema kosmosesondid piisavalt töökindlad. Seega oli peale mitmeaastast kosmoselendu sondi ellujäämise šanss väike. Tõenäosuse tõstmiseks oli vaja dubleerida elektroonilisi süsteeme, kuid NSVL-i elektroonika oli massiivne; s.t sond oleks kujunenud liiga raskeks. Selle kiirendamiseks oleks olnud vaja vedelvesinikul töötava ülemise astmega raketti, mida samuti ei olnud.

 

2015-07-suv-Pioneer03-1353517396575
Pioneer 10 ja 11 sondide üldkuju ja põhisüsteemid. Illustratsioon: Noemotion, NASA, http://spectrum.ieee.org/aerospace/astrophysics/finding-the-source-of-the-pioneer-anomaly kaudu.

 

Pioneerid 10 ja 11

Pioneer 10 sai esimeseks süvakosmose sondiks. See lennutati ülesse 1972. a. märtsis Atlas-Centaur kanderaketiga, mis oli varustatud kolmanda lisaastmega. Sondi ülesandeks oli Jupiteri ja tema kaaslaste uurimine. Stardimass oli ca 260 kg, millest 36 kg moodustas kütus. Korpuse läbimõõt oli ca 1,5 m, sond oli varustatud 2,74-meetrilise paraboolse taldrikantenniga. Energiaallikaks oli neli plutoonium-238 radioaktiivse isotoobi lagunemise energial töötavat termoelektrogeneraatorit (esialgne võimsus 155 W, Jupiteri juures 140 W). Stabiliseerimise otstarbel pandi sondi üleslaskmise käigus aparaat pöörlema ümber antenni sümmeetria telje. Sond oli varustatud primitiivse pardaarvutiga. Instrumentide seas olid magnetomeeter, plasma analüsaatorid, laetud osakeste detektorid, radiatsioonimõõtjad, meteoroidide detektor, UV-kiirguse fotomeeter ja infrapunase kiirguse raadiomeeter. Pildistamine toimus fotopolarimeetri abil, mis aparaadi pöörlemisel registreeris peenikesi kujutise ribasid. Aparaadi liikumisel pildistatud ribad liideti hiljem tervikliku kujutise saamisekskokku. Pioneeride 10 ja 11 pardal oli ka kuulus tahvel sõnumiga Maa-välise elu esindajatele, kui nad peaksid kunagi kohtuma sondidega. Selles on skemaatiliselt joonistatud Päikesesüsteem, selle asukoht Linnutee galaktikas, mehe ja naise figuurid. Skaalaks on kasutatud vesiniku aatomi poolt kiiratava valguse 21-sentimeetriline lainepikkus. Plaat oli paigaldatud tuntud astronoomi Carl Sagani initsiatiivil.

2015-07-suv-pioneer plaque

Pioneeride tahvel. Illustratsioon: NASA, http://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraftDisplay.do?id=1972-012A kaudu.

Pioneer 10 startis 3. märtsil 1972. a. Aparaat ületas Kuu orbiidi 11 tunniga. Lennu jooksul Juupiterile teostati kolm trajektoori korrektsiooni. Aparaat lendas esimesena läbi asteroidide vööndi, mõõtes selles tolmuosakeste kontsentratsiooni ja uurides planeetidevahelist keskkonda. Novembri alguses sisenes sond Jupiteri satelliitide süsteemi, kuu keskel registreeris selle magnetvälja. 2. detsembril 1972 ületas piltide kvaliteet juba maapealsete teleskoopide oma. Järgmisel päeval läbis aparaat Jupiteri lähimal kaugusel ca 132 tuhat km. Ta pildistas Galileo satelliite Ganymedes ja Europa. Io pilt paraku kaotati, kuna Jupiteri tugev magnetväli kutsus esile pardaarvuti häireid. Möödalennu jooksul tehti üle 500 pildi. Avastati Io ionosfäär ja mõõdeti Jupiteri atmosfääri temperatuur.

2015-07-suv-668761main ac73-9341

Seeria Jupiteri pilte, mida Pioneer 10 tegi lähenemisel ja eemaldumisel hiidplaneedile. Pilt: NASA, 1972 – 73, http://www.nasa.gov/content/forty-years-ago-pioneer-10-closest-approach-to-jupiter kaudu.

1976. a. ületas Pioneer 10 Saturni orbiidi, 1979. ja 1983. aa. vastavalt Uraani ja Neptuuni orbiidid. Missioon lõpetati ametlikult 1997. a., kuigi sondi telemeetria signaali võeti vastu kuni 2002. aastani. Viimast korda registreeriti sondi signaale  2003. a. ca 80 aü kauguselt kuni tema elektrigeneraatori võimsus langes liiga madalale tasemele. 2015. a. asub sond üle 110 aü kaugusel Päikeselt ja liigub Tauruse tähtkuju suunas kiirusega ca 12 km/s.

Pioneer 11 kujutas endast  sisuliselt Pioneer 10 koopiat. Ta startis aasta hiljem, nimelt 6. aprillil 1973. a. Sond lendas Jupiterist ca 43 000 km kauguselt mööda 2. detsembril 1973, pildistas planeeti suure lahutusvõimega ja uuris selle ümbruskonda. Jupiteri gravitatsioon suunas sondi Saturni poole. 1. septembril 1979. a. lendas sond vaid 21 000 km kauguselt mööda Saturnist ja sai esimeseks aparaadiks, mis uuris seda planeeti lähedalt. Sellel ajal olid juba mõlemad Voyagerid teel Saturnile, seega Pioneeri 11 suunati läbi ringide tasandi mõõtmas osakeste kontsentratsiooni ja uurimas antud trajektoori ohutust. Sond avastas arvukalt Saturni ringe ja satelliite. Viimane kontakt toimus 1995. a. lõpus. Seisuga 2015. a., asub ta kaugusel üle 90 aü Päikeselt ja liigub kiirusega ca 11 km/s Kilbi tähtkuju suunas.

Pioneeridega 10 ja 11 on seotud nn Pioneeride anomaalia, s.o aparaatide väike lisakiirendus Päikese suhtes (ca 10-9 m/s2), mis ei ole põhjustatud gravitatsiooniga. Anomaaliat seletatud viimastel aastatel aparaatidelt tuleneva soojuskiirguse ebaühtlusega.

 

Voyagerid 1 ja 2

1960ndatel pakuti välja nn Grand Tour’i („Suure reisi“) idee: eelseisev hiidplaneetide konfiguratsioon lubas kiiret „reisi“ kõikidele hiidudele ja Pluutole, kasutades gravitatsioonilisi manöövreid nende läheduses. Selline konfiguratsioon kordub vaid 175 aasta tagant. Esialgsete plaanide järgi pidi missioonis osalema 4 sondi, kusjuures 2 külastaksid Jupiteri, Saturni ja Pluutot, teised 2 aga Jupiteri ja Pluutot. Seoses NASA eelarve vähendamisega 1972. a. jäi neljast sondist järele kaks, mis pidid uurima vaid Jupiteri ja Saturni; need saidki Voyagerideks. Teine nendest, ehk Voyager 2 suunati peale Saturni külastamist edasi Uraanile ja Neptuunile. Voyager 1 võis peale Saturni möödalendu lennata Pluuto poole. Missiooni korraldajad eelistasid siiski Saturni suurima kaaslase, Titani uurimist, kuna nad ei olnud kindlad, et aparaat elab ülesse pika tee Pluutole). Seega Pluuto jäi Grand Tour’i käigus külastamata ja pidi ootama veel 25 aastat New Horizons’i visiiti.

2015-07-suv-features3

Voyager 1 ja 2 sondide üldkuju ja põhisüsteemid. Pilt: NASA, http://voyager.jpl.nasa.gov kaudu.

Voyagerid on identsed (nagu Pioneerid 10 ja 11). Mass nende üleslaskmisel oli üle 770 kg, s.h. kütus ning millest ca 100 kg moodustasid teaduslikud instrumendid. Aparaadid on varustatud ca 3,7 m läbimõõduga antenniga ning nende pikkus on ca 2,5 m. Nagu Pioneeridelgi, on Voyageride toiteallikaks kolm termoelektrogeneraatorit plutoonium-238 kütusega; elektrivõimsus üleslaskmisel oli ca 470 W. Lennu jooksul võimsus langeb plutooniumi radioaktiivse lagunemise ja termopaaride degradeerimise tõttu. 2011. aastaks oli see ca 270 W mõlemal sondil. Aparaadid stabiliseeritakse kolmel teljel hoorataste ja väikeste rakettmootorite abil, güroskoobid ja akseleromeetrid jälgivad orientatsiooni ja kiirendusi. Sondi tegevust juhitakse pardaarvuti abil. Mälu põhineb magnetlindil. Iga sond on varustatud kahe multispektraalse kaameraga - väikese ja suure vaateväljaga, spektromeetritega, magnetomeetriga, fotopolarimeetriga ja instrumentidega laetud osakeste uurimiseks. Osa instrumentidest on paigaldatud korpusest sõltumatult pöörlevale platvormile. Tänu sellele saab aparaat vaadelda objekte ilma orientatsiooni muutmata, peaantenn jälgib pidevalt Maad. Mõlemale aparaadile on paigaldatud plaat, kuhu on kirjutatud üle 100 pildi, looduse hääled, suulised tervitused 55 keeles ja erinevad muusikalood.

2015-07-suv-miranda

Uraani satelliidil Mirandal on avastatud keeruline maastik. Pilt: NASA/JPL/Voyager 2, 1989, http://spaceplace.nasa.gov kaudu.

Voyager 2 startis 20. augustil 1977. a., Voyager 1 aga 5. septembril (sondide numeratsioon vastab Jupiterile saabumise järjekorrale). Kanderaketiks oli Titan III-Centaur neljanda lisaastmega, võimsaim Titan rakettide perekonna esindaja. Voyager 1 jõudis Jupiterini jaanuaris 1979. a., Voyager 2 juulis. Sondid uurisid lähedalt Jupiteri ja tema kaaslasi. Voyager 1 avastas ringide süsteemi ja Io vulkanismi, viimane oli Jupiteri missiooni suurimaks üllatuseks: Io sai esimeseks taevakehaks peale Maad, kus avastati purskavaid vulkaane (Io vulkanismi energiaallikaks on Jupiteri ja teiste Galileo satelliitide lähedusest tingitud loodejõud).

Jupiteri gravitatsiooniline väli suunas mõlemaid sonde Saturni poole. Voyager 1 lendas sellest mööda 12. novembril 1980. a., Voyager 2 – 26. augustil 1980. a. Aparaadid uurisid Saturni atmosfääri, magnetvälja, ringide süsteemi ja kaaslasi. Kuna Pioneer 11 leidis, et Titanil esineb atmosfäär, oli Voyager 1 suunatud selle kaaslase lähedaseks möödalennuks: otsustati, et lend Uraanile või Plutole on riskantsem ja väiksema teadusliku tähendusega.

Voyager 2 jätkas lendu Uraanile ja jõudis sellele 1986. a. (möödalend 12. jaanuaril kaugusel 81 500 km). Visiidi jooksul avastati 11 uut planeedi kaaslast, uuriti planeedi atmosfääri, magnetvälja ja ringe. Edasi suunati aparaat Neptuunile, mille möödalend toimus 25. augustil 1989. a. Aparaat avastas 6 uut satelliiti ja lubas kindlaks teha ringide süsteemi olemasolu; leiti, et ringide paksus ei ole ühtlane ja et mõned ringid võivad olla mittesuletud (kaarekujulised). Sealt edasi suunati sond Neptuuni suurima kaaslase, Tritoni, lähedaseks möödalennuks. Selle pinnal avastati aktiivset krüovulkanismi. Voyager 2 jääb ainsaks Uraani ja Neptuuni külastanud sondiks. Viimastel aastatel on NASA arutlenud aparaatide saatmist Uraani ja Neptuuni orbiitidele, aga need plaanid on siiamaani jäänud realiseerimata eelarve piirangute tõttu.

2015-07-suv-540545main pia00317-full full

Neptuuni satelliidil Tritonil leiab aset geoloogiline aktiivsus ja leidub purskavaid krüovulkaane. Pilt: NASA/JPL/Voyager 2, 1989, http://www.nasa.gov kaudu.

Praegu  jätkavad Voyagerid lendu väljapoole Päikesesüsteemi, uurides keskkonda selle äärel. Voyager 1 ületas nn heliopausi (regioon, kus päikesetuule võimsus muutub tähtedevaheliste tuultega võrreldes nõrgemaks) 2012. a. kaugusel ca 122 aü Päikeselt. Sond eemaldub kiirusega ca 17 km/s ehk ca 3,5 aü/aastas. Voyager 2 on aeglasem - tema kiirus on ca 3,2 aü/aastas, 2015. a. asub ta kaugusel ca 110 aü. Mõlemad sondid on töökorras. Eeldatakse, et side kestab nendega vähemalt 2020. aastani. Peale 2025. a. langeb elektrisüsteemi võimsus nii madalaks, et side aparaatidega katkeb.

 

New Horizons

Alates 1989. a. on jäänud ainult üks Päikesesüsteemi planeet (tollel ajal veel planeedi staatuses) – Pluuto – kosmosesondide poolt külastamata. Sel ajal läbis Pluuto periheeli (Päikesele lähima punkti) kaugusel ca 30 aü ja hakkas Päikeselt eemalduma. Teadlased arvasid, et varsti külmub Pluuto atmosfäär (mis avastatud 1980ndate lõpus) ära ja selle gaasid sadestuvad pinnale. See tähendab, et Pluuto missiooniga tuli kiirustada, muidu ei oleks enam võimalik olnud tema atmosfääri uurida. 1990ndatel pakuti Pluto Kuiper Express missioon (esialgne nimetus Pluto Fast Flyby, „Pluuto kiire möödalend“), mis pidi jõudma Pluutole 2010ndate alguses, aga 2000. a. tööd peatati rahalistel põhjustel. 2002. a. algatas NASA nn New Frontiers („Uued piirid“) programmi, mille raames rahastati keskmise klassi (keerukuse ja eelarve poolest) missioone. Pluuto sondi projekt (Kuiper Express’i baasil) võitis ja sai esimeseks sondiks selle programmi raames. Sondi nimetuseks sai New Horizons („Uued horisondid“).

Sondi korpus kujutab endast kolmnurka, millele on paigaldatud 2,1-meetriline paraboolne antenn ja plutoonium-238 isotoobil töötab termoelektrogeneraator algvõimsusega 228 W. Sondi stardimass oli 478 kg, millest 77 kg oli kütus. Teaduslike instrumentide seas on monokromaatiline ja värviline kaamera, spektromeetrid, laetud osakeste detektorid ja analüsaatorid, tolmuosakeste detektorid. Aparaadi raadiosüsteem osaleb samuti atmosfääri uuringutes (nagu varasematel sondidelgi).

 

2015-07-suv-nh lab

New Horizons enne starti. Esiplaanil vasakul on termoelektrogeneraator. Pilt: NASA, http://www.cdscc.nasa.gov/Pages/Archive/Dawn_NH/dawn_nh.html kaudu.

Sond startis 17. jaanuaril 2006. a. Atlas V raketi pardal; rakett oli varustatud neljanda lisaastmega ja kiirendas sondi rekordkiiruseni ca 16,3 km/s Maa suhtes. Aprillis ületas sond Marsi orbiiti, juunis pildistas asteroidi 132524 APL kauguselt üle 100 000 km, septembris 2006 pildistas esimest korda suurelt kauguselt Pluutot. 28. veebrualil 2007. a. lendas sond Jupiterist ca 2,3 mln km kauguselt mööda, mille tulemusena kasvas ta kiirus 4 km/s võrra. Möödalennu ajal teostati ulatuslikke Jupiteri süsteemi uuringuid (vaatluskampaania kestis jaanuarist juunini), see lubas testida sondi süsteeme ja instrumente, samuti harjutada eelseisvat Pluuto vaatluskampaaniat.

2015-07-suv-pluto-charon-color

Pluto ja Charon lähedalt. Pilt: NASA/JPL/New Horizons, 2015, http://www.space.com kaudu.

Ülejäänud teel oli sond enamasti hübernatsiooni, ehk une režiimis süsteemide ressursside säästmiseks. Samas ärkas ta regulaarselt süsteemide testimiseks ja kalibreerimiseks. 2008. a. ületas sond Saturni, 2011. a. Uraani orbiidi. Peale sondi üleslaskmist 2006. a. muutis Rahvusvaheline Astronoomia Ühing Pluuto staatuse planeedist kääbusplaneediks; 2011. – 2012. aa. leiti Pluutol kaks kuud, Kerberos ja Styx, ning avastatud kuude arv kasvas viieni. Eeldati, et Pluutol võib leiduda veel kuusid ja isegi ringe, seega missiooni juhendajad hakkasid otsima ohutuid trajektoore läbi Pluuto süsteemi.

2015. a. jaanuaril ärkas New Horizons lõplikult üles ja algas Pluuto vaatluskampaania. Mais 2015 ületas Pluuto piltide lahutusvõime Hubble teleskoobi oma. Juuni lõpus oli juba võimalik eristada detaile Pluuto ja tema suurima kaaslase Charoni pinnal. 4. juulil ilmus pardaarvutis ülekoormusega seotud tõrge, aga õnneks lahendati probleem kiiresti. 14. juulil lendas sond Pluutost mööda vaid ca 12 500 km kauguselt selle pinnalt, kiirusel ca 14 km/s. Kaugus Charonilt oli ca 2 korda suurem. Varsti sisenes sond Pluuto varju, mis lubas sondeerida Pluuto atmosfääri Maalt tuleva raadiosignaaliga. Sond läbis ka Charoni varjupiirkonna. Kõik möödalennu tegevused olid salvestatud aparaadi mällu: kuna signaali edasi-tagasi levimisaeg sondini oli ca 9 tundi, oli seega sondi reaalajas juhtimine võimatu. Mitu tundi enne ja pärast möödalendu olid kõik aparaadi instrumendid suunatud Pluutole, seega tema paraboolantenn ei vaadanud Maale ja sidet polnud. Side Maaga taastus 13 tundi peale möödalendu. Peale möödalendu oli aparaadi poole pööratud kääbusplaneedi öine poolkera, seega olid edasised vaatlused raskendatud.

2015-07-suv-new-horizons-icy-mountains-pluto

Mäestik Pluto pinnal. Mäed koosnevad eeldatavasti veejääst, nende kõrgus on kuni 3,5 km. Pilt: NASA/JPL/New Horizons, 2015, http://www.space.com kaudu.

Möödalennu ajal asusid Pluuto ja Charon kaugusel ca 32 aü Maalt. Seega on raadioside kiirus väga aeglane. Sel põhjusel toimub kogutud andmete edastamine vaatlustele järgneva 16 kuu jooksul. Praegusel hetkel (2015. a. juuli lõpp) on sond saatnud vaid väikese osa andmetest. See, mis saadud piltidest juba paistab, on üsnagi ootamatu. Osutus, et Pluuto ei kujuta endast „surnud külmunud maailma“, nagu paljud arvasid. Selle pinnalt on leitud hiljutise geoloogilise aktiivsuse jälgi: liikuvat lämmastiku, metaani ja vingugaasi jääd, veejääst mägesid kõrgusega ca 3,5 km, aga samuti palju vanemaid kraatritega üle külvatud alasid. Osa andmetest kääbusplaneedi atmosfäärist ja väikestest kaaslastest on samuti juba edastatud. Tulevikus peab sondilt tulema veelgi mahukam andmete hulk.

New Horizondi missioon ei lõpe Pluuto möödalennuga. Umbes 2019. a. peab ta teostama veel ühe Kuiperi vöö objekti möödalennu. Mitu sobivat kandidaati on samuti juba valitud, nendest sobivaim tundub 2014 MU69 läbimõõduga 30 – 90 km. Lõplik otsus tehakse 2015. a. augustis, aasta lõpus peab sond teostama manöövri, mis suunab teda valitud objekti poole. Tulevikus väljub New Horizons Päikesesüsteemist kiirusega ca 13 km/s.


Autor: Vladislav-Veniamin Pustõnski / Green Vironia OÜ

Allikad:
http://www.nasa.gov/centers/ames/missions/archive/pioneer10-11.html
http://voyager.jpl.nasa.gov/
http://www.space.com/26041-nasa-voyager-probes-solar-system-legacy.html
http://www.space.com/26462-voyager-1-interstellar-space-confirmed.html
https://www.nasa.gov/mission_pages/newhorizons/main/index.html
https://en.wikipedia.org/wiki/New_Horizons
http://www.space.com/16533-pluto-new-horizons-spacecraft-pictures.html