Нырнуть в Солнце: Миссия Parker Solar Probe

04.03.2022
Существует такая не очень умная шутка: “В телескоп на Солнце можно посмотреть два раза в жизни — правым и левым глазом”. Сложно назвать ее призывом к соблюдению техники безопасности, скорее наоборот, чем больше работающих способов демонстрации Солнца при помощи телескопа ты знаешь, или, чем больше ты лично наблюдал Солнце в телескоп, тем более глупой она кажется. Простые технологии — солнечные фильтры или проекция на экран, позволяют совершенно безопасно любоваться нашим светилом. А более продвинутые технологии и баллистические хитрости позволили созданному человеком аппарату Parker Solar Probe погрузиться непосредственно в Солнце в 2021 году (и да, анекдоты про “полетим ночью” тоже стали смотреться несколько хуже). Об этом мы сегодня и поговорим.

Для тех, кому удобнее, видеоверсия (+ реконструкция гравитационных маневров в симуляторе Orbiter).




Интересное Солнце


Основные феномены и строение Солнца, изображение Kelvinsong/Rubin16/Wikimedia Commons

Ближайшая к нам звезда не кажется таинственной — ну Солнце и солнце. Однако даже краткое перечисление наблюдаемых на нем феноменов занимает немало времени. Если посмотреть на Солнце в обычный телескоп с солнечным фильтром или спроецировать изображение с телескопа на экран, то мы увидим фотосферу — поверхность, которую можно наблюдать в видимом диапазоне. Она будет покрыта сеткой неправильной формы, это называется грануляцией. Гранулы образуются при конвекционном перемешивании материи Солнца и в диаметре имеют размер в районе тысячи километров. Также на диске могут быть солнечные пятна. Это более холодные участки поверхности, через которые проходят особенно сильные магнитные поля. При определенном везении крупные солнечные пятна можно наблюдать невооруженным глазом, когда Солнце очень низко над горизонтом. Если вы придете на день тротуарной астрономии, которые регулярно устраивают планетарии, магазины телескопов и астрономические клубы по всей стране, то, с большой вероятностью, сможете посмотреть на Солнце в телескоп с водородным фильтром H-альфа. В этом случае вы уже увидите более высокий слой, хромосферу. По краю диска при определенном везении можно будет увидеть протуберанцы — более холодное вещество, поднятое над поверхностью магнитным полем. На самом диске более темные полоски будут теми же протуберанцами, но видимыми не сбоку, а в направлении сверху вниз. Они называются волокнами. На краю Солнца будут видны тонкие и острые спикулы, создающие характерный эффект “пожара в прериях”. По ним солнечное вещество поднимается в более высокие слои. Яркие линии на диске называются флоккулы, они складываются в хромосферную сетку. Если вы приедете в район полного солнечного затмения, то сможете увидеть незаметную в обычных условиях солнечную корону.


Солнечное затмение, фото Miloslav Druckmuller

В короне можно выделить петли, образованные замкнутыми линиями магнитного поля и похожие на древнерусский островерхий шлем стримеры — структуры, часто встречающиеся над областями повышенной активности. В рентгеновском диапазоне, наблюдения в котором нужно вести из космоса, можно заметить корональные дыры, являющиеся источником быстрого солнечного ветра. А если направить на Солнце доплеровский радар, то поднимающееся и опускающееся вещество покажет супергранулы, которые имеют размер в десятки тысяч километров.

Вспышки на Солнце, корональные выбросы массы приводят к геомагнитным бурям на Земле, которые проявляют себя не только как очень красивые полярные сияния. В марте 1989 года очень мощная геомагнитная буря на девять часов оставила без света канадскую провинцию Квебек. До сих пор человечество не научилось точно предсказывать солнечные вспышки на дни и недели вперед, на сегодняшний день мы можем оперировать вероятностной оценкой “вот по диску движется пятно, которое может стать источником коронального выброса массы с вероятностью 25%”. Еще недавно с Солнцем были связаны две большие научные тайны, но одну разгадали. Проблема нехватки солнечных нейтрино была решена в начале 21 века. Но вот вопрос, почему температура солнечной короны превышает миллион градусов, а температура лежащей под ней фотосферы составляет всего 5500°С, до сих пор ждет своего ответа.


Плотность и температура на разных расстояниях от Солнца по данным NASA


Краткий экскурс в историю


Кроме множества разбросанных по миру солнечных обсерваторий (например, жители и гости Санкт-Петербурга могут свободно осмотреть ныне не действующий большой пулковский радиотелескоп), исследования Солнца производились с аэростатов, солнечные затмения с 1965 по 1980 наблюдали с самолета NC-135, и, конечно же, начало космической эры привело к появлению гелиофизических космических миссий.

Первым аппаратом, непосредственно зафиксировавшим солнечный ветер, стала советская станция “Луна-1”, запущенная 2 января 1959. Предыдущие аппараты летали по низкой орбите, а “Луна-1”, первая набравшая вторую космическую скорость, обнаружила в межпланетном пространстве горячую, движущуюся со скоростью 300-400 км/с и очень разреженную плазму, которую поэтично назвали солнечным ветром. Запущенный 25 марта 1961 года “Эксплорер 10” всего за несколько часов своего активного существования успел зафиксировать ударную волну от солнечной вспышки. За последующие годы количество гелиофизических космических миссий превысило пять десятков.

В 1995 году на гало-орбиту вокруг точки Лагранжа L1 (в полутора миллионах километров от Земли на линии Земля-Солнце) был запущен аппарат SOHO — Solar and Heliospheric Observatory (“Солнечная и гелиосферная обсерватория”). Он работает до сих пор, кроме наблюдений Солнца в разных диапазонах несколько десятков энтузиастов открыли на нем более четырех тысяч околосолнечных комет, а также он является одним из источников данных о солнечной погоде. Его соседями на орбите являются аппараты ACE, WIND и DSCOVR, также значительное внимание уделяющие Солнцу.


Актуальное состояние солнечной короны, анимация по фото SOHO

В 2006 году в противоположные стороны относительно Земли были запущены парные аппараты STEREO. Различать их просто: A — Ahead начал движение вперед, а B — Behind — назад. К 2011 году они разошлись на 180 градусов, впервые позволив наблюдать Солнце со всех сторон. Но аппараты находятся на таких орбитах, что у них нет окончательного положения, и в 2015 году они оказались на одной линии, а после этого поменялись местами, A оказался позади Земли, а B — впереди. В 2016 году STEREO-B был потерян.


Орбиты аппаратов STEREO относительно неподвижных Солнца и Земли, анимация Phoenix7777/Wikimedia Commons


Гравитационный маневр


Для того чтобы объяснить особенности полета следующих аппаратов, необходимо рассказать о гравитационном маневре. Искривление пространства-времени, которое называется гравитацией, легко изображается натянутой простыней и шариками. Интуитивно понятно, что если мы поместим в центр натянутой простыни груз, то он создаст местное провисание ткани. Если мы запустим шарик так, чтобы он прокатился через эту ямку, то его траектория изменится.


Вид на космическую простыню сверху

Вторая простая аналогия гравитационного маневра — вы нашли приятеля с кабриолетом, встали у дороги и стали бросать ему мячики (лучше оставить это мысленным экспериментом, а то реальные кабриолеты недешевые). Если вы кинули мячик, когда он двигался вам навстречу, то его ответный бросок прилетит к вам с большей скоростью. А если вдогонку, то с меньшей.

На практике гравитационный маневр позволяет изменить параметры орбиты космического аппарата за счет пролета мимо тяжелого тела, планеты. В зависимости от траектории можно нахаляву разогнаться, затормозить или повернуть плоскость орбиты. Уже много десятилетий космические миссии планируются так, что лучше пусть аппарат летит на несколько лет дольше и пролетит лишний раз мимо какой-нибудь планеты, чем его придется пересаживать на более тяжелую и поэтому дорогую ракету.


Экскурс в историю продолжается

Уникальную с точки зрения баллистики миссию “Улисс” запустили 6 октября 1990 года. 8 февраля 1992 аппарат прибыл к Юпитеру и за его счет изменил наклонение орбиты на 80 градусов, перейдя на практически полярную орбиту относительно плоскости солнечной системы. Ближняя точка орбиты, перицентр, оказалась за орбитой Земли, самая удаленная, апоцентр, в районе Юпитера, и новый период орбиты стал равен шести годам. “Улисс” пролетел над полярными областями Солнца в 1994/95 и еще два раза на последующих витках. Последний сеанс связи состоялся 30 июня 2009 года.


Орбита Ulysses, анимация Phoenix7777/Wikimedia Commons


  Запущенный 10 февраля 2020 Solar Orbiter, скорее всего, окажется в тени известности Parker Solar Probe — он приблизится к Солнцу только до 0,3 астрономических единиц. Но миссии объединяет неоднократный пролет мимо Венеры. А с “Улиссом” Solar Orbiter роднит переход на орбиту все более высокого наклонения, он также сможет обозревать полярные области.


Solar Probe


Учитывая научный интерес к Солнцу, нет ничего удивительного, что идеи отправить зонд для изучения Солнца внутрь орбиты Меркурия прослеживаются аж до 1958 года, когда Группа по полям и частицам Национальной академии наук США начала думать, какие космические аппараты интересно было бы запустить. Однако многие десятилетия миссия оставалась на стадии идей и проектов из-за своей сложности. На рубеже 20 и 21 веков рассматривался проект с траекторией в чем-то похожей на “Улисс” — аппарат должен был отправиться к Юпитеру и за счет гравитационного маневра перейти на орбиту, перицентр которой оказывался очень близко к Солнцу.



 Предлагаемая орбита аппарата


  Однако такая траектория порождала серьезные технические сложности — аппарат нужно было спроектировать таким, чтобы он пережил холод внешней Солнечной системы и жар внутренней. Энергия от Солнца подчиняется закону обратных квадратов, и, если взять ее на расстоянии земной орбиты за 1, то у Юпитера будет 1/25, а вблизи Солнца в десятки и сотни раз больше. Чтобы зонд не замерз у Юпитера, его требовалось обогревать аж тремя радиоизотопными источниками тепла и электричества, а чтобы не расплавился у Солнца — снабдить его теплозащитным экраном. Конструкция получалась нерациональной и очень дорогой.


Варианты компоновки аппарата


  В десятые годы концепцию поменяли, вместо такого удобного с точки зрения гравитационного маневра Юпитера, решили использовать гораздо более легкую Венеру, но много раз. В этом случае решалось сразу множество проблем — аппарат нужно было рассчитывать на тепловой баланс только внутренней Солнечной системы, один виток занимал гораздо меньше времени, значит, можно было собрать больше научных данных, исчезали технические требования на связь с аппаратом на расстояниях до Юпитера. Миссия получила обозначение Solar Probe Plus.


План маневров у Венеры

Стартовав от Земли, на первом же витке зонд должен был пролететь мимо Венеры и затормозить. Уже на первом витке аппарат приближался бы к Солнцу в два раза ближе, чем Меркурий в своем перицентре, до 24,8 миллиона километров. В той же точке венерианской орбиты, когда планета совершала два витка, а зонд — три, проходил второй маневр. Перицентр становился равным 19,4 млн. км. Третий и четвертый, а также пятый и шестой тоже проходили в одной точке орбиты. И только последний, седьмой маневр, не имел пары. В итоге аппарат оказывался у Солнца на расстоянии всего 6,9 млн. км. Именно эту концепцию и решили реализовывать.


Новое имя и новые технологии

В 2017 году аппарат назвали в честь Юджина Паркера, астронома, занимавшегося физикой плазмы и правильно предсказавшего многие свойства солнечного ветра.



Зонд Parker Solar Probe готовится к старту, фото NASA

На фото аппарат уже установлен на разгонный блок Star-48BV (похожая на бочку и отличающаяся цветом конструкция слева).

Для того, чтобы Parker Solar Probe был способен пережить приближение к Солнцу на расстояние в 21 раз ближе Земли и поступающие в 475 раз больше энергии, потребовались специальные технологические решения. Основным является теплозащитный щит, за которым оказывается в тени почти весь остальной аппарат.



Теплозащитный щит в разрезе, иллюстрация NASA

Щит диаметром 2,4 метра и толщиной 11,5 см весит 72 килограмма и собран из нескольких слоев. Наружный слой — белая керамика, затем идет защитный слой и два слоя из упрочненного углерод-углеродного композита между которыми толстый слой углеродной пены. Углеродная пена — новый материал для теплоизоляции, имеющий очень низкую плотность. При создании щита пришлось решать инженерные сложности, например, чтобы в пене не осталось значительного количества кислорода, и она из-за этого не обуглилась в рабочих условиях. При максимальных сближениях керамическая наружная поверхность нагревается до примерно 1600 градусов, но это тепло не передается на внутреннюю поверхность, к которой крепится рама аппарата.

В одном из ранних вариантов аппарата предложили идею двух наборов солнечных панелей, один из которых бы выдвигался на участке максимального сближения, но в итоговом проекте панели выполнили из двух частей. Внешняя, установленная под другим углом, использует активное охлаждение. Из-за того, что аппарат работает во внутренней Солнечной системе в качестве теплоносителя использовали обычную воду. 3,7 литра деионизированной воды хранятся в подогреваемом баке и обеспечивают охлаждение внешней части солнечных панелей, работая в диапазоне 10 — 150 градусов c пределом 200, а незакипание воды гарантируется до 210 градусов. Излучающие тепло радиаторы установлены на конической переходной части сразу за теплозащитным щитом.



Рабочие положения солнечных панелей

В районе перицентра панели полностью убраны, и только край освещается полутенью от щита. В районе апоцентра они полностью раскрыты, а между ними занимают промежуточное положение.

Вблизи перицентра связь с аппаратом невозможна, он летит полностью автономно, удерживая правильное положение щитом к Солнцу, и собирает научные данные. Для определения положения в пространстве используются два звездных датчика на торце, противоположном щиту, но в районе перицентра ими пользоваться нельзя, поэтому на аппарате установлены специальные датчики лимба, фиксирующие смещение тени от щита. Поворачивается Parker Solar Probe при помощи маховиков. Поскольку задачей зонда является полет в очень узком “коридоре”, он включает двигатели только для небольших коррекций. Поэтому ему не нужна двигательная установка с большим запасом характеристической скорости. На Parker Solar Probe стоят 12 однокомпонентных двигателей, работающих на гидразине, каждый тягой 440 грамм. Особенностью миссии является также то, что маневры по коррекции траектории выполняются либо при положении аппарата щитом к Солнцу, либо в близких к апоцентру участках орбиты. Для защиты от перегрева на короткое время во время этих маневров некоторые блоки зонда прикрыты жалюзи.


Несимметричное расположение двигателей, на правой нижней картинке бирюзовые прямоугольники — жалюзи. 


Научное оборудование



Расположение научных приборов на аппарате, изображение Bold Business

Научные приборы аппарата, как легко догадаться, разработаны для изучения Солнца, его магнитных полей, потоков солнечного ветра и летящих частиц. Приборы, не прикрытые щитом, адаптированы для работы в условиях непосредственной близости к Солнцу.

FIELDS (Electromagnetic Fields Investigation, изучение электромагнитных полей) получает информацию об электрических и магнитных полях, радиоволнах и параметрах плазмы. Для этого на четырех развернутых в стороны антеннах и расположенной в тени мачте установлены пять датчиков напряжения и три магнитометра. Поскольку боковые антенны находятся на свету, их выполнили из сплава C-103 с ниобием, а корневую часть прикрыли дополнительной теплозащитой.


Расположение приборов FIELDS и конструкция антенны

IS☉IS (Integrated Science Investigation of the Sun, комплексное научное исследование Солнца) — это датчики высоко- (EPI-Hi) и низкоэнергетических (EPI-Lo) частиц. Интересна конструкция EPI-Lo. Прибор собран из восьми секторов. В каждом секторе десять направляющих отверстий. Попавший внутрь ион регистрируется на первом детекторе, электрон — на втором. Место регистрации позволяет определить направление прилета. Таким образом прибор позволяет определить интенсивность частиц в различных направлениях для целой полусферы.



IS☉IS

SWEAP (Solar Wind Electrons Alphas and Protons, электроны, альфа-частицы и протоны солнечного ветра) — это набор из трех датчиков, фиксирующих поток солнечного ветра: протоны, электроны и ядра атома гелия (альфа-частицы). Наиболее интересен инструмент SPC, цилиндр Фарадея, который располагается сбоку от теплозащитного щита и находится на свету. В моменты наибольшего сближения с Солнцем температура наружной крышки превысит 1600 градусов Цельсия, поэтому ее выполнили из вольфрама. А сам датчик сделан из ниобиевых лепестков в сапфировой изоляции.


SWEAP и распределение температур у SPC в перицентре

WISPR (Wide-field Imager for Solar Probe, широкоугольная камера для солнечного зонда) — прибор с двумя камерами: 13°/53° и 50°/108°. Камеры смотрят в сторону от Солнца, но, благодаря близости аппарата к звезде, могут работать как коронограф и снимать потоки солнечного ветра.


Конструкция WISPR


Пуск и полет


Parker Solar Probe стартовал 12 августа 2018 в 07:31 UTC. Почетным гостем на запуске был Юджин Паркер, которому на тот момент был 91 год (он, кстати, жив до сих пор). Для выведения использовалась одна из самых грузоподъемных ракет планеты. Delta IV Heavy способна вывести 29 тонн на низкую орбиту. Масса Parker Solar Probe составляет всего 685 килограмм, и на ракету в качестве дополнительного разгонного блока установили тяжелый Star-48BV. Баллистика выведения требовала старта незадолго до рассвета: чтобы отправиться во внешнюю Солнечную систему, с низкой опорной орбиты надо разгоняться на ночной стороне, а чтобы полететь во внутреннюю — на дневной. В этом случае скорость аппарата будет вычитаться из орбитальной скорости Земли.


Траектория отлета зонда Parker

На февраль 2022 года зонд Parker Solar Probe благополучно провел пять гравитационных маневров у Венеры. Следующий, предпоследний, шестой маневр ожидается в августе 2023. Десятый перицентр аппарат прошел 21 ноября 2021, одиннадцатый ожидается 25 февраля 2022. С десятого по шестнадцатый перицентр зонд сближается с Солнцем до 9,2 миллиона километров (8,5 над поверхностью). По второму закону Кеплера в районе перицентра скорость спутника растет тем больше, чем более вытянут эллипс орбиты, поэтому Parker Solar Probe стал новым рекордсменом по абсолютной скорости — уже сейчас он разгоняется у Солнца до 160 километров в секунду, а сближения после следующих гравитационных маневров обещают еще большую скорость.



Иллюстрация Phoenix7777/Wikimedia Commons


Промежуточные результаты


Самым громким результатом миссии стало погружение в атмосферу Солнца. После обработки данных восьмого перицентра (28 апреля 2021) оказалось, что зонд три раза пролетел под поверхностью Альвена. Что же это такое? В солнечной короне распространяются магнитогидродинамические волны Альвена. Район, где линейная скорость вещества в короне превышает скорость распространения альвеновских волн, называют критической поверхностью Альвена и считают границей между солнечной атмосферой и потоком свободного солнечного ветра. Солнечный ветер сейчас не относят к атмосфере Солнца, момент, когда межзвездная плазма оказывается сильнее солнечного ветра считают границей Солнечной системы. Непосредственные измерения Parker Solar Probe обнаружили, что поверхность Альвена расположена в среднем в 13,6 млн. км от центра звезды (18,8 солнечных радиусов). Граница неровная, и ее высота меняется со временем.


Светлое — расчетное положение поверхности Альвена, зеленая линия — среднее количество солнечных пятен, красные линии — траектория Parker Solar Probe

Кроме этого зонд открыл множество других феноменов. Одним из самых ранних стало обнаружение свободной от пыли зоны — ближе 5,6 млн км пыль банально испаряется.

Зонд “Улисс” обнаружил в приполярных областях Солнца S-образные структуры магнитного поля. Сначала ученые подумали, что это редкие и встречающиеся только в приполярных районах феномены. Однако зонд “Паркер” обнаружил во множестве обратные переключения магнитного поля — switchback.


Обратное переключение магнитного поля, анимация NASA

Полученные данные говорят, что обратные переключения связаны с супергранулами.

Также аппарат пролетал через корональные стримеры, причем обстановка внутри была тише, чем снаружи. Зонд зафиксировал турбулентность солнечного ветра, вспышки, слишком слабые, чтобы их могли заметить на Земле. В него на огромной скорости попадали небольшие частички космической пыли (результат — всплеск помех на фотографиях WISPR и дополнительные научные данные).


Кадры с камер инструмента WISPR

Основная миссия аппарата рассчитана до конца 2025 года. Вполне возможно ее продление. Критической является возможность аппарата сохранять правильное положение в пространстве — когда выйдут из строя маховики или система управления, зонд Parker Solar Probe превратится в оплавленный комок, который еще очень долго будет крутиться вокруг Солнца. Будем надеяться, что этот момент наступит нескоро, и мы получим еще много интересной информации о том как устроено Солнце.