Радио-научный инструмент ExoMars готов для Красной планеты
Амбициозный инструмент для миссии ЕКА ExoMars 2020 прошел испытания в условиях, похожих на условия на Красной планете. Теперь он будет доставлен в Россию для проверки приемки, после чего будет произведена интеграция в наземную платформу Казачок, запуск которой запланирован на этот раз в следующем году.
Примерно 8 x 8 x 20 см плюс три антенны, эксперимент ESA Lander Radioscience или, если коротко, LaRa, немного больше, чем 1-литровая упаковка для молока. Но он функционирует как высокопроизводительный транспондер, которому поручено поддерживать чрезвычайно стабильную прямую радиочастотную связь между Землей и Марсом в течение всего марсианского года - двух земных лет - после приземления ExoMars.
Предложенный Королевской обсерваторией Бельгии, LaRa был разработан в рамках программы ЕКА PRODEX, ориентированной на разработку научных экспериментов в космосе, и финансируется Управлением космической политики Бельгии.
Последние испытания LaRa были проведены в Лаборатории механических систем (MSL) ЕКА в техническом центре Агентства ESTEC в Нордвейке, Нидерланды. Это небольшая версия соседнего испытательного центра ESTEC, способная выполнять широкий спектр космических испытаний, но она обслуживает приборы, подсистемы или мини-спутники космических аппаратов, а не полноразмерные миссии.
После вибрационных испытаний на одном из шейкеров MSL для имитации жестких условий запуска, повторного входа в атмосферу, снижения и приземления на Марс, LaRa затем поместили в термовакуумную камеру почти на две недели для проведения функциональных испытаний в горячих и холодных условиях.
Сначала он находился в высоком вакууме, чтобы уносить пары газа, которые в противном случае могли бы создавать проблемы в космосе, и проверять его поведение в условиях, аналогичных условиям рейса на Марс. Затем LaRa подвергался моделированию марсианских условий с добавлением в камеру 6 миллибар углекислого газа в то же время, когда температура циклически поднималась и опускалась.
Электронная коробка LaRa будет согреваться обогревателем ExoMars. Антенны LaRa, однако, устанавливаются вне этой терморегулируемой среды, и им придется выдерживать экстремальные температурные циклы: ночи холодные, как -90 ° C, с днем, достигающим относительно комфортных 10 ° C. Получившаяся новая конструкция антенны была разработана в сотрудничестве между ЕКА и Католическим университетом Лувена.
В конце испытаний была открыта термовакуумная камера. Инженеры подошли к инструменту, надев маски для рта, халаты и стерильные перчатки, напоминающие хирургическую бригаду, и затем удалили датчики и кабели, предназначенные для тестирования, перед тем как положить инструмент и его антенны в стерильные пакеты.
Как и все оборудование, предназначенное для межпланетных полетов, LaRa подчиняется строгим планетарным протоколам защиты для предотвращения микробного загрязнения.
«Поверхности прибора регулярно вытирают, чтобы убедиться, что его уровни «бионагрузки» остаются приемлемыми», - объясняет Ливен Томассен из главного подрядчика LaRa Antwerp Space. «Его внутренняя часть, состоящая из четырех уровней печатных плат, уже подверглась полной очистке. Она практически полностью изолирована от внешнего мира, имеет только вентиляционное отверстие диаметром 2 мм, чтобы избежать избыточного давления, когда LaRa достигает пространства».
LaRa - один из двух инструментов ESA на российской наземной платформе ExoMars. Известный как Казачок - по прозвищу «Маленький казацкий» - первая роль платформы состоит в том, чтобы доставить себя и марсоход Rosalind Franklin ExoMars, созданный ESA, безопасно спуститься в низменность Oxia Planum на Марсе. Затем, как только марсоход съедет со своих рамп, Казачок посвятит Само по себе в общей сложности 13 экспериментальных пакетов на борту. Поверхностная платформа была разработана НПО
LaRa получит от Земли радиосигнал в X-диапазоне, который затем снова вернется. Тщательно измеряя небольшие доплеровские сдвиги в этом двустороннем сигнале во времени, исследователи смогут идентифицировать крошечные периодические сдвиги в положении Поверхностной платформы с течением времени, открывая неоценимое представление о внутреннем пространстве Марса.
«LaRa раскроет детали внутренней структуры планеты и позволит точно измерить ее вращение и ориентацию», - комментирует Вероник Дехан из Королевской обсерватории Бельгии, главный исследователь прибора.
«Он также будет обнаруживать изменения углового момента из-за перераспределения масс, например, сезонного массопереноса в углекислом газе, когда часть атмосферы замерзает во льду. Последнее, но не менее важное, LaRa также позволит точно определить точное положение посадки». "
В качестве земного аналога представьте себе вращающееся яйцо - вы можете просто взглянуть на его колеблющееся движение, является ли его внутренняя часть жидкой или сваренной вкрутую.
Но задача состоит в том, чтобы поддерживать сверхстабильную прямую радиосвязь во время запланированного графика работы LaRa, состоящего из двух часовых сеансов в неделю, особенно когда Марс вращается на максимальном расстоянии 401 млн. Км от Земли.
«На земной стороне мы будем использовать гигантские антенны класса 70-метровой глубоководной сети НАСА или российский аналог на Калязине или Медвежьих озерах для передачи радиосигнала в диапазоне Х к Марсу и для сбора его реплики с задержкой, ретранслируемой LaRa и «Doppler-подписано» Mars - и все это при минимальной мощности 5 Вт, генерируемой LaRa », - объясняет инженер-микроволновка ESA Вацлав Валента, управляющий проектом LaRa.
«Но LaRa на Марсе будет нуждаться в достаточной чувствительности, чтобы обнаруживать радиосигнал с минимальной мощностью в несколько ватт - триллионами ватт. Когда Марс и Земля приблизятся - на своих ближайших 54,6 млн. Км - тогда наземные станции Estrack в Европе смогут закрыть связь с LaRa также.
«Такие сценарии были успешно протестированы в ходе двух тестовых кампаний по совместимости радиочастот в центре управления полетами ESOC в Дармштадте, Германия».
Скудная марсианская атмосфера является усложняющим фактором. С положительной стороны его присутствие позволяет конвекции уносить ненужное тепло. Но хотя он более чем в сто раз тоньше земного воздуха, радиочастотная работа в нем все же создает риск коронного воздействия - ионизации местных газов, которая может привести к помехам и потенциально вредному разряду молнии.
«Чтобы устранить любой риск короны, LaRa ранее подвергался тщательному анализу и испытаниям в Лаборатории высокой мощности радиочастот ESA в Валенсии, Испания», - добавляет Вацлав.
«Он также прошел испытания в камере Максвелла ESTEC на электромагнитную совместимость, чтобы проверить правильность работы всех его элементов. Кроме того, в испытательном центре ESTEC была разработана и протестирована специальная модель удара LaRa для проверки устойчивости LaRa к механическим воздействиям, вызванным механическими ударами. разделением несущего модуля и сбросом теплозащитного экрана. "
После завершения испытания LaRa в MSL прибор был перемещен в метрологическую лабораторию ЕКА для точных измерений плоскостности его поверхности. Он должен быть точным с точностью до нескольких десятков микрометров - тысячных долей миллиметра - для оптимальной подгонки и теплового контакта с интерфейсом посадочного модуля, помогая поддерживать хорошую рабочую температуру на Марсе.
Из ESTEC LaRa будет доставлен в Институт космических исследований РАН, IKI, для окончательных приемочных испытаний. Затем он будет перемещен в Канны во Франции, где он будет интегрирован на наземной платформе с остальной частью посадочного модуля и испытан на уровне полной сборки.
«Возможность летать открылась в конце 2015 года, а реальные разработки в отношении летной модели начались только через год, поэтому команде LaRa пришлось приложить немало усилий, чтобы прийти к этому», - добавляет Вацлав. ExoMars 2020 должен быть запущен российской пусковой установкой Proton с Байконура в Казахстане в июле 2020 года.