«Near Earth Asteroid Rendezvous Shoemaker» (скор. «NEAR Shoemaker») — космічний апарат НАСА, надісланий в 1996 році до астероїда Ерос. Апарат, що спочатку називався «NEAR spacecraft», отримав таку назву 14 березня 2000 року, на честь американського геолога й планетолога Юджина Шумейкера, який загинув в автокатастрофі в 1997 році. Багаторічні дослідження Шумейкера суттєво вплинули на розуміння ролі астероїдів у формуванні планет .
«NEAR Shoemaker» став першим штучним супутником астероїда і першим штучним об'єктом, який здійснив м'яку посадку на астероїд . На шляху до Ероса апарат досліджував астероїд Матільду. Загалом «NEAR Shoemaker» працював трохи більше п'яти років, зокрема близько року — на орбіті Ероса.
Історія У 1983 році Комітет з дослідження Сонячної системи НАСА запропонував надіслати космічний апарат до одного з астероїдів, що зближуються із Землею. Після цього, 1986 року, Науковою робочою групою (SWG, скор. від ) було зроблено всебічну оцінку місії «NEAR». Група дійшла висновку, що в місії може брати участь апарат, який використовується в місіях Програми планетарних досліджень НАСА.
У 1990 році НАСА презентувала нову програму недорогих дослідницьких місій під назвою «Діскавері» (). У межах програми було ухвалено рішення надіслати космічний апарат до навколоземного астероїда. У 1990 році було подано дві конкурсних пропозиції від Лабораторії прикладної фізики (APL) і Лабораторії реактивного руху (JPL). У підсумку було вибрано пропозицію APL .
Розробку апарата було розпочато в грудні 1993 року, і тривала вона понад два роки. Вартість місії «NEAR» — близько 150 мільйонів доларів США .
Вибір мети У 1992 році було проведено пошук об'єктів, що відповідали можливостям апарата «NEAR Shoemaker». Встановлювалися такі обмеження: Запуск мав відбутися в період з 1996 до 2000 року; Орбіта астероїда добре визначена (астероїд має власний номер). Афелій його має бути менше Зміна швидкості (ΔV) після запуску — 2 км/с. Загальна зміна швидкості має бути менше 6 км/с (під загальним ΔV мається на увазі сума ΔV, необхідна для того, щоб відійти від опорної орбіти, і ΔV після запуску, необхідне для успішного зближення з астероїдом).
Третє й четверте обмеження були зумовлені вартістю й складністю КА, а виконання п'ятої умови дозволяло забезпечити виконання місії з використанням ракети-носія класу Дельта. Попередньо були відібрані астероїди, зазначені в таблиці: Цільовий астероїд Діаметр, кмЗа даними на 1992 рік. Запуск Прибуття ΔV після запуску, км/с Загальне ΔV, км/с 1,8 Травень 1997 Вересень 1998 0,75 5,35(4660) Нерей(з прольотом (2019) ван Альбада) 1,0 Січень 1998 Січень 2000 1,20 5,74(3361) Орфей 0,8 Березень 1998 Травень 1999 1,46 5,47(4660) Нерей 1,0 Січень 2000 Жовтень 2001 0,70 5,05 Однак усі цілі, що відповідали критеріям, мали невеликий розмір. Вчені побоювалися, що малий розмір досліджуваного об'єкта може обмежити кількість і різноманітність наукової інформації.
Як бажана мета нерідко згадувався й астероїд Ерос, який у перигелії зближується з орбітою Землі. Ерос значно більший (34,4 × 11,2 × 11,2 км ) інших запропонованих цілей. Однак для його досягнення було потрібна ΔV, що перевищує 6 км/с, і великий нахил орбіти запуску. Тому для вирішення цієї проблеми було ухвалено рішення збільшити час польоту на один рік, щоб через рік після старту, під час прольоту поряд із Землею, виконати пертурбаційний маневр для зміни кута нахилу орбіти апарата до екліптики.
Влаштування апарата
«NEAR Shoemaker» був сконструйований в Лабораторії прикладної фізики (APL, скор. Від ). Це був 55-й космічний апарат, сконструйований в APL .
Загальні характеристики «NEAR Shoemaker» має форму восьмикутної призми, з чотирма фіксованими панелями арсенид-галієвих сонячних батарей, розташованих у вигляді млина. На верхній підставі призми була встановлена антена високого підсилення діаметром 1,5 м .
Площа основи апарата становила 1,7 м2. Загальна маса на старті, з урахуванням палива — 805 кг, без палива — 487 кг .
Основні підсистеми
Керуючі підсистеми Командно-керуюча підсистема. Підсистема стабілізації. Підсистема телекомунікації. Підсистема енергопостачання. Рухова підсистема.
Наукові інструменти Мультиспектральна камера. Інфрачервоний спектрометр. Лазерний висотомір. Гамма-рентгенівський спектрометр. Магнітометр. Радіоосцилятор.
Опис керуючих підсистем За керування «NEAR Shoemaker» відповідала Командно-керуюча підсистема (C & DH, скор. Від ), призначена для виконання команд із Землі, збору, обробки і форматування даних телеметрії, вмикання й вимикання інших пристроїв апарата. Підсистема включала в себе інтерфейс для зв'язку з іншими підсистемами, керованими процесором. C&DH була оснащена двома модулями пам'яті: ємність першого становила , другий — 1,1 Гбіт.
Підсистема стабілізації (G&C, скор. Від ) призначена для спрямування антени високого підсилення при сеансах зв'язку з Землею, позиціонування апарата для спрямування наукових приладів у бік досліджуваної ділянки. Для виконання цих функцій було застосовано кілька приладів, зокрема чотири напівсферичні 30-міліметрові гіроскопи. Гіроскопи також застосовувалися для визначення курсу й вимірювання зміни швидкості (ΔV). Крім того, підсистема стабілізації забезпечувала контроль за тепловим станом приладів, оберігаючи їх від перегріву або переохолодження.
Підсистема телекомунікації забезпечувала зв'язок апарата з Землею. До складу підсистеми входила одна антена високого підсилення (HGA, скор. Від ) і дві — низького підсилення (LGA, скор. від ). HGA використовувалася для передачі великих обсягів даних, і могла працювати на швидкості обміну . LGA використовувалися в тих випадках, коли необхідно було економити енергію, як, наприклад, під час польоту «NEAR Shoemaker» до мети. Швидкість передачі даних антеною низького підсилення була дуже невеликою, .
Підсистема енергопостачання включає чотири панелі арсенид-галієвих сонячних батарей, розміром кожна, і нікель-кадмієві батареї ємністю . На початковому етапі, на відстані 1 а. о. сонячні батареї забезпечували потужність 1880 Вт, на найбільшому віддаленні від Сонця — близько 400 Вт.
Рухова підсистема призначена для виконання маневрів та управління становищем апарата. Вона включає в себе один головний двигун тягою , чотири двигуни тягою по , і сім малих двигунів тягою по . Головний двокомпонентний двигун застосовувався для здійснення маневрів в космосі. Решта двигунів — однокомпонентні, застосовувались для керування положенням апарата .
Наукові інструменти Мультиспектральна камера (MSI, скор. від ) призначена для отримання зображень у видимому і ближньому інфрачервоному діапазонах. Камера мала вісім фільтрів, що охоплюють діапазон . Кут огляду камери становив , з роздільною здатністю . Такі характеристики дозволяли отримати роздільну здатність 10 × 16 м з відстані 100 км. Мультиспектральна камера використовувалася для визначення форми Ероса, особливостей будови поверхні, побудови карти розподілу мінералів .
Інфрачервоний спектрометр (NIS, скор. Від ) працював у спектральному діапазоні від . Призначався для вивчення хімічного складу астероїда, шляхом вимірювання спектра відбитого від поверхні сонячного світла .
Лазерний висотомір (NLR, скор. Від ) застосовувався для визначення відстані до Ероса і дозволив провести точні вимірювання форми астероїда. Лазерний передавач, що входить до складу приладу, працював на довжині хвилі , і виробляв імпульси потужністю й тривалістю .
Гамма-рентгенівський спектрометр (XGRS, скор. Від ) розробляв глобальні карти хімічного складу поверхні Ероса, вимірюючи гамма-випромінювання й рентгенівське випромінювання астероїда, що утворюються під впливом сонячної енергії. По суті інструмент являв собою два прилади, що вимірюють електромагнітні хвилі різної довжини. Вимірювання в рентгенівському діапазоні використовувалися для виявлення в складі поверхні астероїда таких хімічних елементів, як магній, алюміній, кремній, кальцій, титан і залізо. У гамма-діапазоні досліджувалася поверхня до глибини близько 10 см щодо наявності кисню, кремнію, заліза, водня, калію, торію і урану .
Трьохвісевий ферозондовий магнітометр використовувався для вимірювання магнітного поля Ероса. Датчик приладу був встановлений в підставі антени високого підсилення, а електроніка — в іншій частині апарата. Датчик використовував вісім обираних рівнів чутливості в діапазоні від 4 нТл до 65 536 нТл .
Радіоосцилятор (RS, скор. Від ), що працював на частоті 8438 МГц, дозволяв визначати радіальну швидкість з точністю до 0,1 мм/с, а також використовувався для вимірювання гравітаційних параметрів Ероса .
Хроніка польоту і траєкторія «NEAR Shoemaker» рухався так званою траєкторією «Delta VEGA», необхідною для зближення з Еросом, орбіта якого нахилена під кутом 10,8° до площини екліптики. «Delta V» означає зміну швидкості руху апарата (ΔV), а «EGA» — «за допомогою земної гравітації» ().
Запуск 17 лютого 1996 року зі стартового майданчика 17-B на мисі Канаверал під Флоридою, за допомогою триступеневої американської ракети-носія «Дельта-2» 7925, був запущений «NEAR Shoemaker» . На висоті близько 183 км з нахилом 28,74° ракета вийшла на паркувальну орбіту. Період перебування на паркувальній орбіті був порівняно коротким (13 хв). Це говорить про те, що сонячна енергія почала використовуватися через годину після запуску.
Третій ступінь відпрацював повністю в земній тіні. Приблизно через після запуску цей ступінь відокремився і розкрилися панелі сонячних батарей. Після відділення третього ступеня контроль за апаратом перейшов до його система управління. Протягом , з моменту запуску і до виходу «NEAR Shoemaker» з тіні Землі, апарат підтримував роботу за допомогою вбудованих батарей. Оскільки їх розміри й вага були обмежені, працювали тільки найбільш важливі системи.
Політ до Матільди Політ до астероїда 253 Матільда тривав більше 16 місяців.
Протягом кількох перших тижнів польоту перевірявся стан апарата. Також протягом цього періоду проводились невеликі пуски двигуна, з метою калібрування рухової системи, і коригування відхилень від заданої траєкторії. Після цього, для економії енергії, апарат був переведений в режим мінімальної активності. Всі інструменти були відключені. Підсистема телеметрії періодично обробляла службові операції і навігаційні дані, і зберігала їх. Нагрівачі використовувалися для підтримки температури неактивних систем.
Проліт Матільди 27 червня 1997 року «NEAR Shoemaker» пролетів на мінімальній відстані 1200 км від астероїда Матільда. Швидкість прольоту становила 9,94 км/с. Апарат отримав більше 500 зображень астероїда . Роздільна здатність найякісніших з них становить 180 метрів на піксель. Також було отримано 7 кольорових зображень, з роздільною здатністю 400—500 метрів на піксель . Через повільне обертання, «NEAR Shoemaker» зміг сфотографувати всього близько 60 % поверхні.
Крім телеметричних спостережень, було виміряно магнітне поле і маса Матільди. У процесі віддалення апарата було зроблено пошук можливих супутників астероїда, але їх не було виявлено.
3 липня 1997 року, через тиждень після прольоту Матільди, був проведений перший маневр за допомогою двигуна апарата, необхідний для зменшення перигелію з 0,99 до 0,95 а. о. Маневр був проведений в два етапи, з метою недопущення перегрівання двигуна.
Проліт Землі Наступним важливим етапом місії був проліт поруч із Землею, необхідний для зміни нахилу його орбіти до екліптики з 0,5° до 10,2°, і зменшення афелійної відстані від 2,17 а. о. до 1,77 а. о. Проліт пройшов 22 січня 1998 року на висоті 540 км від поверхні планети.
Цікавим аспектом прольоту Землі виявився той факт, що траєкторія проходила над південним полярним регіоном планети. Це дозволило отримати кілька унікальних зображень Антарктиди.
Проліт Ероса