Când călătoriți pe țări îndepărtate, un ambalaj este atent. Ceea ce purtați trebuie să fie cuprinzător, dar nu atât de mult încât să fie o povară. Și după ce ajungeți, trebuie să fiți pregătiți să faceți ceva extraordinar pentru ca călătoria lungă să fie în valoare.
Articolul anterior al Space Magazine „Cum aterizați pe o cometă?” a descris tehnica de aterizare a Philae pe cometa 67P / Churyumov-Gerasimenko. Dar ce va face debarcatorul odată ce va ajunge și va fi stabilit în noile sale împrejurimi? După cum spunea Henry David Thoreau, „Nu merită să mergi în jurul lumii pentru a număra pisicile din Zanzibar.” La fel și cu landetta Rosetta Philae. Cu scenariul - un loc de aterizare ales și data de aterizare din 11 noiembrie, landerul Philae este echipat cu un set atent de instrumente științifice. Comprehensive și compacte, Philae este ca un cuțit al uneltelor elvețiene pentru a efectua prima examinare la fața locului (in situ) a unei comete.
Acum, luați în considerare instrumentele științifice de pe Philae, care au fost selectate acum aproximativ 15 ani. La fel ca orice călător bun, trebuiau stabilite bugete care să funcționeze ca constrângeri privind selecția instrumentelor care puteau fi ambalate și transportate pe parcursul călătoriei. Au existat o greutate maximă, un volum maxim și o putere. Masa finală de Philae este de 100 kg (220 lbs). Volumul său este de 1 × 1 × 0,8 metri (3,3 × 3,3 × 2,6 ft) aproximativ dimensiunea unui cuptor cu patru arzătoare. Cu toate acestea, Philae trebuie să funcționeze cu o cantitate mică de energie stocată la sosire: 1000 Watt-Ore (echivalentul unui bec de 100 de wați care funcționează timp de 10 ore). Odată ce această energie este scăzută, va produce maximum 8 wați de energie electrică din panourile solare pentru a fi stocată într-o baterie de 130 de wați.
Fără nici o asigurare că vor ateriza cu forță și vor produce mai multă putere, designerii Philae au furnizat o baterie de mare capacitate care este încărcată, o singură dată, de către tablele solare primare ale navei spațiale (64 mp) înainte de coborârea către cometă. Cu o secvență inițială de comandă științifică la bord Philae și puterea bateriei stocată de la Rosetta, Philae nu va pierde niciun timp pentru a începe analiza - nu spre deosebire de o analiză criminalistică - pentru a face o „disecție” a unei comete. După aceea, utilizează bateria mai mică, care va dura cel puțin 16 ore pentru a se reîncărca, dar îi va permite lui Philae să studieze 67P / Churyumov-Gerasimenko pentru luni potențial.
Pe landerul Philae există 10 pachete de instrumente științifice. Instrumentele folosesc lumină absorbită, împrăștiată și emisă, conductivitate electrică, magnetism, căldură și chiar acustică pentru a evalua proprietățile cometei. Aceste proprietăți includ structura suprafeței (morfologia și machiajul chimic al materialului de suprafață), structura interioară a P67 și câmpul magnetic și plasmele (gaze ionizate) de deasupra suprafeței. În plus, Philae are un braț pentru un instrument, iar corpul principal Philae poate fi rotit cu 360 de grade în jurul axei sale Z. Postul care acceptă Philae și include un amortizor de impact.
CIVA și ROLIS sisteme imagistice. CIVA reprezintă trei camere care împărtășesc unele componente hardware cu ROLIS. CIVA-P (Panoramic) este șapte camere identice, distribuite în jurul corpului Philae, dar care funcționează în tandem pentru imagini stereo. Fiecare are un câmp vizual de 60 de grade și folosește ca detector CCD 1024 × 1024. După cum își amintesc majoritatea oamenilor, camerele digitale au avansat rapid în ultimii 15 ani. Imaginile Philae au fost proiectate la sfârșitul anilor 1990, aproape de ultimă generație, dar astăzi sunt depășite, cel puțin în număr de pixeli, de majoritatea smartphone-urilor. Cu toate acestea, pe lângă hardware, procesarea imaginilor în software a avansat și imaginile pot fi îmbunătățite pentru a dubla rezoluția lor.
CIVA-P va avea sarcina imediată, ca parte a secvenței inițiale de comandă autonomă, de a supraveghea locul de aterizare complet. Este esențial pentru desfășurarea altor instrumente. De asemenea, va folosi rotația pe axa Z a corpului Philae pentru a face o sondare. CIVA-M / V este o imagine microscopică în 3 culori (rezoluție de 7 microni), iar CIVA-M / I este un spectrometru aproape infraroșu (interval de lungime de undă de la 1 până la 4 microni) care va inspecta fiecare dintre probele livrate la cuptoarele COSAC & PTOLEMY înainte de încălzirea probelor.
ROLIS este o singură cameră, de asemenea cu un detector CCD 1024 × 1024, având rolul principal de a supraveghea locul de aterizare în faza de coborâre. Camera este fixă și orientată în jos cu un obiectiv reglabil focalizare f / 5 (raport f) cu un câmp vizual de 57 de grade. În timpul coborârii este setat la infinit și va lua imagini la fiecare 5 secunde. Electronica sa va comprima datele pentru a reduce la minimum datele care trebuie stocate și transmise Rosetta. Focalizarea se va regla chiar înainte de atingere, dar ulterior, camera va funcționa în modul macro pentru a examina spectroscopic cometa imediat sub Philae. Rotația corpului Philae va crea un „cerc de lucru” pentru ROLIS.
Proiectarea multiplă a rolului ROLIS arată clar modul în care oamenii de știință și inginerii au lucrat împreună pentru a reduce în general greutatea, volumul și consumul de energie și a face posibilă Philae și, împreună cu Rosetta, să se încadreze în limitele de sarcină utilă ale vehiculului de lansare, limitările de putere ale solarului celule și baterii, limitări ale sistemului de comandă și de date și ale emițătorilor radio.
Apxs. Acesta este un Spectrometru cu raze X Alpha Proton. Acesta este un instrument aproape obligatoriu al cuțitului elvețian al armatei elvețiene a savantului. Spectrometrele APXS au devenit un aparat comun în toate misiunile Mars Rover, iar Philae este o versiune actualizată a lui Mars Pathfinder. Moștenirea designului APXS este experimentele timpurii ale lui Ernest Rutherford și alții care au dus la descoperirea structurii atomului și a naturii cuantice a luminii și a materiei.
Acest instrument are o sursă mică de emisie de particule Alpha (Curium 244) esențială pentru funcționarea sa. Principiile Rutherford Spargerea înapoi a particulelor Alpha este utilizată pentru a detecta prezența unor elemente mai ușoare, cum ar fi Hidrogen sau Beriliu (cele apropiate unei particule Alpha în masă, un nucleu Helium). Masa unor astfel de particule elementare mai ușoare va absorbi o cantitate măsurabilă de energie din particulele Alpha în timpul unei coliziuni elastice; așa cum se întâmplă în Rutherford, care se împrăștie înapoi la aproape 180 de grade Cu toate acestea, unele particule Alpha sunt absorbite, mai degrabă decât reflectate de nucleele materialului. Absorbția unei particule Alpha provoacă emisia unui proton cu o energie cinetică măsurabilă care este unică și particulei elementare din care a provenit (în materialul cometar); acest lucru este utilizat pentru a detecta elemente mai grele, cum ar fi magneziu sau sulf. În cele din urmă, electronii învelișului interior din materialul de interes pot fi expulzați de particule Alpha. Când electronii din învelișurile exterioare înlocuiesc acești electroni pierduți, ei emit o rază X de energie specifică (cuantică) care este unică acelei particule elementare; astfel, elemente mai grele, cum ar fi fier sau nichel, sunt detectabile. APXS este întruchiparea la începutul secolului XX Fizica particulelor.
CONSERT. Experiment de sonorizare a nucleului COmet prin transmiterea undelor radioașa cum sugerează și numele, va transmite undele radio în nucleul cometei. Orbitarul Rosetta transmite unde radio 90 MHz și simultan Philae stă la suprafață pentru a primi cu cometa care stă între ele. În consecință, timpul călătoriei prin cometă și energia rămasă a undelor radio este o semnătură a materialului prin care s-a propagat. Multe transmisii și recepții radio de către CONSERT printr-o multitudine de unghiuri vor fi necesare pentru a determina structura interioară a cometei. Este similar cu modul în care se poate sesiza forma unui obiect umbrit care stă în fața ta, panoramând capul la stânga și la dreapta pentru a urmări cum se schimbă silueta; în total creierul tău percepe forma obiectului. Cu datele CONSERT, este necesar un proces de deconvoluție complexe folosind calculatoare. Precizia cu care este cunoscut interiorul cometei se îmbunătățește cu mai multe măsurători.
MUPUS. Senzor multifuncțional pentru științele suprafeței și suprafata este o suită de detectoare pentru măsurarea echilibrului energetic, a proprietăților termice și mecanice ale suprafeței cometei și a subsolului până la o adâncime de 30 cm (1 picior). MUPUS are trei părți importante. Există PEN-ul care este tubul penetrator. PEN este atașat la un braț de ciocan care se extinde până la 1,2 metri de corp. Se desfășoară cu o forță descendentă suficientă pentru a pătrunde și a îngropa PEN sub suprafață; mai multe lovituri de ciocan sunt posibile. În vârful, sau ancora, din PEN (tubul penetrator) este un accelerometru și PT100 standard (termometru de rezistență la platină). Împreună, senzorii de ancoră vordeterminați profilul de duritate la locul de aterizare și difuzivitatea termică la adâncimea finală [ref]. Pe măsură ce pătrunde pe suprafețe, decelerarea mai mult sau mai puțin indică un material mai dur sau mai moale. PEN include o serie de 16 detectoare termice de-a lungul lungimii sale pentru a măsura temperaturile subterane și conductivitatea termică. PEN are, de asemenea, o sursă de căldură pentru a transmite căldură materialului cometar și a măsura dinamica termică a acestuia. Cu sursa de căldură oprită, detectoarele din PEN vor monitoriza echilibrul de temperatură și energie al cometei pe măsură ce se apropie de Soare și se încălzește. A doua parte este MUPUS TM, un radiometru deasupra PEN-ului care va măsura dinamica termică a suprafeței. TM este format din patru senzori termopile cu filtre optice pentru a acoperi o lungime de undă cuprinsă între 6-25 µm.
SD2 Dispozitivul de foraj și distribuție a probelor va pătrunde pe suprafață și în suprafață până la o adâncime de 20 cm. Fiecare probă prelevată va avea câțiva milimetri cubi în volum și distribuită în 26 de cuptoare montate pe un carusel. Cuptoarele încălzește eșantionul care creează un gaz care este livrat cromatografelor de gaz și spectrometrelor de masă care sunt COSAC și PTOLEMY. Observațiile și analiza datelor APXS și ROLIS vor fi utilizate pentru a determina locațiile de eșantionare care vor fi pe un „cerc de lucru” din rotația corpului Philae în jurul axei sale Z.
COSAC Eșantionare și compoziție cometară experiment. Primul cromatograf de gaz (GC) pe care l-am văzut a fost într-un laborator de colegiu și a fost folosit de către managerul laboratorului pentru testele medico-legale care susțin departamentul de poliție locală. Intenția Philae nu este altceva decât să efectueze teste medico-legale pe o cometă la o sută de milioane de kilometri de Pământ. Philae este eficient sticla spion a lui Sherlock Holmes, iar Sherlock este toți cercetătorii de pe Pământ. Cromatograful de gaze COSAC include un spectrometru de masă și va măsura cantitățile de elemente și molecule, în special molecule organice complexe, formând material de cometă. În timp ce primul GC de laborator pe care l-am văzut era mai aproape de dimensiunea Philae, cele două GC-uri din Philae sunt cam de dimensiunile cutiilor de încălțăminte.
Ptolemeu. Un analizator de gaz evoluat [ref], un alt tip de cromatograf de gaze. Scopul Ptolemiei este de a măsura cantitățile de izotopi specifici pentru a obține raporturile izotopice, de exemplu, 2 părți izotopul C12 la o parte C13. Prin definiție, izotopii unui element au același număr de protoni dar un număr diferit de neutroni în nucleele lor. Un exemplu este cele 3 izotopi ale Carbonului, C12, C13 și C14; numerele fiind numărul de neutroni. Unii izotopi sunt stabili, în timp ce alții pot fi instabili - radioactivi și se descompun în forme stabile ale aceluiași element sau în alte elemente. Ceea ce interesează investigatorii Ptolemy este raportul dintre izotopii stabili (naturali și nu cei afectați sau care rezultă din degradarea radioactivă) pentru elementele H, C, N, O și S, dar în special Carbonul. Rapoartele vor fi indicatori indicatori de unde și cum sunt create cometele. Până în prezent, măsurările spectroscopice ale cometelor pentru a determina raporturile izotopice au fost de la distanță și acuratețea a fost inadecvată pentru a trage concluzii ferme despre originea cometelor și modul în care cometele sunt legate de crearea planetelor și de evoluția nebuloasei solare, locul de naștere al sistemului nostru planetar care înconjoară Soarele, steaua noastră. Un analizator de gaze evoluat va încălzi o probă (~ 1000 C) pentru a transforma materialele într-o stare gazoasă pe care un spectrometru poate măsura foarte exact cantitățile. Un instrument similar, TEGA (Thermal Evolved Gas Analyzer) a fost un instrument de pe landerul Mars Phoenix.
SUSAN Experiență de sunet electric de suprafață și monitorizare acusticăAcest instrument implică trei detectoare unice. Primul este SESAME / CASSE, detectorul acustic. Fiecare picior de aterizare al Philae are emițătoare și receptoare acustice. Fiecare dintre picioare se va transforma în transmiterea undelor acustice (100 Hertz până la KiloHertz) în cometa pe care o vor măsura senzorii celorlalte picioare. Cum această undă este atenuată, adică slăbită și transformată, prin materialul cometar prin care trece, poate fi utilizată împreună cu alte proprietăți cometare obținute din instrumentele Philae, pentru a determina variațiile zilnice și sezoniere ale structurii cometei până la o adâncime de aproximativ 2. metri. De asemenea, într-un mod pasiv (ascultare), CASSE va monitoriza undele sonore provenite de la scârțâituri, gemetele din interiorul cometei cauzate potențial de tensiunile generate de încălzirea solară și de evacuarea gazelor.
Următorul este detectorul SESAME / PP - Sonda de permisivitate. Permisibilitatea este măsura rezistenței pe care un material o are la câmpurile electrice. SESAME / PP va livra un câmp electric oscilant (undă sinusoidală) în cometă. Picioarele Philae poartă receptoarele - electrozii și generatoarele de sinus AC pentru a emite câmpul electric. Rezistența materialului cometar la o adâncime de aproximativ 2 metri este astfel măsurată oferind o altă proprietate esențială a cometei - permisivitatea.
Al treilea detector se numește SESAME / DIM. Acesta este contorul de praf al cometei. Au fost utilizate mai multe referințe pentru compilarea acestor descrieri ale instrumentelor. Pentru acest instrument, există, ceea ce aș numi, o frumoasă descriere pe care o voi cita pur și simplu aici cu referință. „Cubul DIM (Monitor de impact de praf) din partea de sus a balconului Lander este un senzor de praf cu trei senzori piezo ortogonali (50 × 16) mm. Din măsurarea tensiunii de vârf tranzitorii și a jumătății duratei de contact, se pot calcula viteze și raze ale particulelor de praf cu impact. Pot fi măsurate particule cu raze de la aproximativ 0,5 um până la 3 mm și viteze de la 0,025–0,25 m / s. Dacă zgomotul de fundal este foarte mare, sau rata și / sau amplitudinile semnalului de explozie sunt prea mari, sistemul trece automat la așa-numitul mod mediu continuu; adică se va obține doar semnalul mediu, oferind o măsură a fluxului de praf. ” [Ref]
RoMap Magnetometru și plasmă Rosetta Lander detectorul include și un al treilea detector, un senzor de presiune. Mai multe nave spațiale au zburat de comete și un câmp magnetic intrinsec, unul creat de nucleul cometei (corpul principal) nu a fost niciodată detectat. În cazul în care există un câmp magnetic intrinsec, este probabil să fie foarte slab și aterizarea pe suprafață ar fi necesară. Găsirea unuia ar fi extraordinară și ar transforma teoriile cu privire la cometele de pe capul lor. Philae scăzută și iată că are un magnetometru cu fluxgate.
Câmpul magnetic (B) al Pământului care ne înconjoară este măsurat în zece mii de nano-Teslas (unitate SI, miliardime dintr-o Tesla). Dincolo de câmpul Pământului, planetele, asteroizii și cometele sunt cufundate în câmpul magnetic al Soarelui care, lângă Pământ, este măsurat în cifre unice, între 5 și 10 nano-Tesla. Detectorul Philae are o gamă de +/- 2000 nanoTesla; o gamă doar în cazuri, dar una oferită cu ușurință de fluxgates. Are o sensibilitate de 1/100 din nanoTesla. Deci, ESA și Rosetta au fost pregătiți. Magnetometrul poate detecta un câmp foarte minut dacă este acolo. Acum să luăm în considerare detectorul de plasmă.
O mare parte din dinamica Universului implică interacțiunea gazelor ionizate cu plasmă (lipsesc în general unul sau mai mulți electroni care poartă astfel o sarcină electrică pozitivă) cu câmpurile magnetice. Cometele implică, de asemenea, astfel de interacțiuni și Philae poartă un detector de plasmă pentru a măsura energia, densitatea și direcția electronilor și a ionilor încărcați pozitiv. Cometele active eliberează în esență un gaz neutru în spațiu plus particule mici (praf). Radiația ultravioletă a Soarelui ionizează parțial gazul cometar al cozii cometei, adică creează o plasmă. La o anumită distanță de nucleul cometei, în funcție de cât de cald și de dens este plasma, există o oprire între câmpul magnetic al Soarelui și plasma cozii. Câmpul B al Soarelui se întinde în jurul cozii cometei, precum o foaie albă acoperită de un truc sau un trădător de Halloween, dar fără găuri pentru ochi.
Așadar, la suprafața P67, detectorul ROMAP / SPM al Philae, analizatoarele electrostatice și un senzor Cup Faraday vor măsura electroni și ioni liberi în spațiul nu atât de gol. O plasmă „rece” înconjoară cometa; SPM va detecta energia cinetică a ionilor în intervalul 40 - 8000 electron-volți (eV) și electroni de la 0,35 eV la 4200 eV. Nu în ultimul rând, ROMAP include un senzor de presiune care poate măsura presiunea foarte scăzută - o milionime sau o miliardime sau mai puțin decât presiunea aerului de care ne bucurăm pe Pământ. Se folosește un gabarit Penning care ionizează gazul în principal neutru de lângă suprafață și măsoară curentul generat.
Philae va transporta 10 suite de instrumente pe suprafața 67P / Churyumov-Gerasimenko, dar în total cele zece reprezintă 15 tipuri diferite de detectoare. Unele sunt interdependente, adică pentru a obține anumite proprietăți, este nevoie de mai multe seturi de date. Aterizarea Philae pe suprafața cometei va oferi mijloacele de a măsura numeroase proprietăți ale unei comete pentru timpul pumnului și altele cu o precizie semnificativ mai mare. În total, oamenii de știință se vor apropia mai mult de înțelegerea originilor cometelor și contribuția lor la evoluția sistemului solar.
