Спектрометрические приборы с российским участием в проекте ESA и JAXA Бепи Коломбо.

Спектрометрические приборы с российским участием в проекте ESA и JAXA Бепи Коломбо.

Кораблев ОИ (1), Гнедых ВИ (1), Котцов ВА (1), Козлов ОЕ (1), Моисеев ПП (2), Драпезо АП (3)
(1) Институт космических исследований РАН, (2) ООО НПП Астрон Электроник, (3) ООО Вист Групп Сенсор.

Проект Бепи Коломбо объединяет усилия ESA и JAXA в изучении Меркурия, в нем участвуют специалисты из многих стран Европы и Японии, а также России. Проект Бепи Коломбо включает создание двух орбитальных аппаратов: европейского Mercury Planetary Orbiter (MPO) и японского Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO). Их запуск планируется на 2015 год с космодрома в Куру ракетой Ариан 5. Свое название проект получил в честь итальянского математика Джузеппе (Бепи) Коломбо (1920-1984г), который предложил расчет полета к Меркурию с гравитационными маневрами для КА Маринер 10, который составил 10 лет. Перелет до Меркурия с гравитационными маневрами в проекте Бепи Коломбо продлится 6 лет. Наблюдения за различными аспектами природы планеты и окружающего пространства должны дать научное представление о загадках этой планеты. Она принадлежит к земной группе, но не имеет газовой атмосферы. Экзосфера Меркурия содержит не более 105 атомов на см3 и состоит главным образом из атомов водорода, гелия, кислорода, а также, в малых количествах, атомов натрия, калия и кальция.
Европейский аппарат МРО весом 500 кг будет выведен на круговую орбиту с 3х-осной стабилизацией для наблюдений в надир. В состав научных приборов входит ультрафиолетовый спектрометр PHEBUS разрабатываемой в кооперации Франции, Японии и России.
Спектрометр PHEBUS регистрирует спектры излучения экзосферы планеты в диапазоне вакуумного ультрафиолета от 50 до 330 нм. В диапазоне расположены линии излучения нейтральных и ионизированных химических элементов водород, гелий, ксенон, аргон, кислород, калий и кальций. По данным спектрам можно определить химический состав экзосферы. Для получения пространственного распределения химических элементов в спектрометре имеется система наведения оптической оси в заданную точку наблюдения. Она позволяет изменять направление визирования прибора на 360°. Такая свобода позволяет не только проводить измерения в окружающем пространстве Меркурия, но обеспечивает проведение абсолютных калибровок спектрометра по известным источникам излучения. Во время работы прибор будет регулярно калиброваться по звездам чтобы таким способом количественно оценить возможную деградацию.
Прибор представляет двойной спектрометр для каналов жесткого ультрафиолета (EUV, диапазон 55-155 нм) и мягкого ультрафиолета (FUV, диапазон 145-315 нм). Он должен иметь спектральное разрешение 1-2 нм, вертикальное разрешение 20 км, разрешение по широте 20о. Минимизация потери чувствительности, что важно в диапазонах ультрафиолета, оптическая система выполнена как зеркало 33 мм в форме внеосевой параболы во входной части прибора. Контроль направления визирования осуществляет система на датчиках Холла. Система изменения направления визирования с червячным механизмом изготавливается в России. Она имеет массу около 1 кг и потребление 5 Вт.
Японский ММО весом 250 кг будет выведен на эллиптическую орбиту и стабилизирован вращением с периодом вращения 4 сек. Орбита является полярной и очень вытянутой. Ее главная ось находится близко к экватору, чтобы выполнить глобальное исследование магнитосферы от высоты 400 км почти до 12 000 км с периодом 9.3 ч.
В состав научных приборов входит натриевая камера MSASI разрабатываемая в кооперации Японии и России. Определение причин появления Na в экзосфере Меркурия является первичной целью прибора. Планируются измерения натриевой экзосферы с пространственным разрешением 1/64 RМ, измерения локальных температурных изменений натриевой экзосферы в течение нескольких часов в наиболее интересных местах, исследование отношений между планетографическими аспектами и распределением Na в экзосфере.
Натриевая камера MSASI это высоко-дисперсионный спектрометр, работающий в спектральном диапазоне длин волн натрия D2 (589 нм). Он предназначен для анализа его пространственного распределения в экзосфере Меркурия. Интерферометр Фабри-Перо выбран для спектрометра, так как у такой конструкции при заданных размерах и спектральном разрешении пропускная способность намного выше, чем при использовании призмы или дифракционной решетки. Его диэлектрические многослойные покрытия оптимизированы на 589.0 нм и имеют отражение более 94%. Полоса пропускания - интерферометра 589, 1303-589, 1863 нм, его спектральное разрешение 0,007 нм, пространственное разрешение 0,17’ (1/64RM), номинальная чувствительность > 40 kR. В фотоприемной части используется усилитель изображения и ПЗС-матрица GaAsP. Информационный поток с камеры MSASI составит 10,8 Mbytes/виток.
Для исследования пространственного распределения атомов натрия используется собственное вращение спутника ММО и одномерная развертка сканирующим устройством. Механическое сканирование выполняет поворот алюминиевого плоского зеркала (10 мм x 50 мм) с хорошо полированной поверхностью. Шаг поворота 45'. Контроль углового положения осуществляет система на датчиках Холла. Это позволит получать изображения планеты и магнитосферы формируемое на длине волны натрия. Одно изображение может быть получено каждые 23 оборота аппарата вокруг своей оси. Сканирующая система разработана в России. Она имеет массу 960 г и потребление 5 Вт.
В процессе разработки приборов пришлось выполнить ряд дополнительных требований к прибору. В частности, серьезным ограничением было требование минимизации магнитных помех.