ПОЯС
DAWN У ВЕСТЫ И ЦЕРЕРЫ

Каменные планеты собрались из тел поменьше, и почти все они давно поглощены или разбиты. Немногие уцелели в поясе астероидов между Марсом и Юпитером. Dawn, девятую миссию программы NASA Discovery, отправили к двум крупнейшим — изучать условия рождения Солнечной системы и понять, почему два соседа получились такими разными [1].

Весту давно подозревали в том, что она — родительское тело семейства метеоритов HED (говардиты, эвкриты, диогениты), похожих на лаву и глубинную кору тела, которое когда-то плавилось. Церера в 1,8 раза шире и намного менее плотная — намёк на много льда. Каждый из этих миров — снимок одного из путей, по которым могла пойти молодая планета: горячий и сухой или холодный и влажный [10][12].

При старте Dawn весил 1217,7 кг: 747,1 кг сам аппарат, 425 кг ксенона для ионных двигателей и 45,6 кг гидразина для маленьких двигателей ориентации. Два солнечных крыла размахом 19,7 м давали 10,3 кВт у Земли и, по расчёту, лишь 1,3 кВт в конце миссии, в 3 а. е. от Солнца. Три ионных двигателя диаметром 30 см, потомки двигателя Deep Space 1, давали не больше 92 мН каждый при 2,6 кВт, с удельным импульсом от 1900 до 3200 с [2]; одновременно работал только один [20].

Ракета Delta II Heavy запустила его 27 сентября 2007 года. После проверки ионные двигатели почти непрерывно работали одиннадцать месяцев, чтобы вывести аппарат к пролёту Марса на высоте 542 км 17 февраля 2009 года — единственному большому изменению скорости после старта, которое не пришлось делать двигателям. Затем они снова работали больше двух лет. 16 июля 2011 года Dawn мягко вышел на орбиту вокруг Весты — первым аппаратом на орбите вокруг объекта главного пояса [1][3].

Когда в 2018 году двигатели остановились окончательно, Dawn изменил собственную скорость в сумме на 41 360 км/ч, около 11,49 км/с, после 5,87 года работы. Ни один аппарат до него не сделал больше своими силами. Это не его скорость: большая часть этого толчка ушла на подъём от Солнца, на выравнивание с орбитами Весты и Цереры и на торможение для выхода на орбиту вокруг них [5].

Уравнение ракеты объясняет, почему это возможно только на ионах. Нужное количество топлива растёт экспоненциально с отношением Δv к скорости истечения. Ионы ксенона вылетают со скоростью около 30 км/с, горячий газ химического двигателя — около 3. Двигайте ползунки или нажмите кнопки, чтобы увидеть вехи самого Dawn: сколько ксенона он израсходовал и какую Δv набрал у Весты и у Цереры [3][4].

Цена быстрой струи — крошечный расход. Директор миссии Марк Рэйман сравнивал тягу одного двигателя с весом листа бумаги на ладони. При пониженной тяге, на которой Dawn работал в 2013 году, разгон от нуля до 60 миль/ч (97 км/ч), по его словам, занял бы больше пяти дней, а в среднем за первые 3,6 года работы двигателей Dawn расходовал меньше 2,7 миллиграмма ксенона в секунду [6].

Всё работает потому, что двигатель не выключается. Химический двигатель работает минуты, ионный — годы: двигатели Dawn проработали в сумме 5,87 года [5]. Задайте тягу и массу аппарата, чтобы увидеть ускорение, время разгона от 0 до 100 км/ч и прибавку скорости за день, месяц и год работы.

Dawn картографировал Весту с трёх круговых орбит: обзорной на высоте около 2700 км, высокой картографической на 680 км (12,3 часа на виток), где он шесть раз отснял весь мир в цвете и стерео, и низкой со средней высотой 210 км (4,3 часа), где он сделал 13 000 снимков и больше 2,6 миллиона спектров. Гравитационное поле Весты показало плотное железное ядро радиусом около 107–113 км: Веста плавилась и расслоилась, как планета [1][10].

Её южный полюс — один огромный шрам. Реасильвия шириной 500 км и глубиной 19 км — на мире поперечником всего около 520 км; она наполовину стёрла более древний 400-километровый бассейн Вененея. Оба на удивление молоды — примерно один–два миллиарда лет. Выбитые ими породы дали семейство маленьких астероидов-вестоидов и метеориты HED: Веста прислала на Землю больше метеоритов, чем Марс или Луна [1][11].

Аппарат с химическими двигателями меняет орбиту двумя короткими импульсами. Dawn так не мог: он мягко тормозил против направления движения и неделями спускался по спирали. Для медленной спирали между двумя круговыми орбитами Δv — просто разность двух орбитальных скоростей (Эдельбаум, 1961) [7]. Странно, но верно: спускаясь вниз, аппарат ускоряется, потому что низкая орбита быстрее.

Выберите мир и орбиту. Период рассчитан по третьему закону Кеплера с измеренной массой тела [9] и сравнён с периодом, опубликованным NASA [1]. Δv спирали — от предыдущей орбиты, а календарное время — сколько занял настоящий переход. Переходы выполнялись по заранее рассчитанным последовательностям работы двигателей, прерываемым пассивными участками для навигации и связи через Сеть дальней космической связи [8].

Dawn покинул Весту 5 сентября 2012 года, потеряв на отлёте второй из четырёх маховиков ориентации, и команда научилась управлять аппаратом оставшимися маховиками и гидразином. 6 марта 2015 года он вышел на орбиту вокруг Цереры [19] — первая миссия к карликовой планете, на четыре месяца раньше прилёта New Horizons к Плутону [1], и первый аппарат, побывавший на орбитах двух тел за пределами Земли [19].

Яркие пятна, озадачившие всех при подлёте, находятся в кратере Оккатор шириной 92 км и возрастом около 20 миллионов лет. В основном это карбонат натрия — самое концентрированное скопление карбонатов километрового масштаба, известное за пределами Земли; он остался, когда солёная вода выходила на поверхность и замерзала. Гравиметрия Dawn указывает на резервуар рассола на глубине около 40 км, а некоторым отложениям меньше 2 миллионов лет [13][14][15]. Гравитационное поле и форма показывают каменное ядро под более лёгкой оболочкой, богатой льдом и другими летучими веществами, толщиной 70–190 км [12].

В последние месяцы Dawn проносился меньше чем в 35 км над Церерой [15]. 31 октября и 1 ноября 2018 года он пропустил два сеанса связи: гидразин кончился, и без него Dawn больше не мог навести антенну на Землю, а крылья — на Солнце. Он пролетел около 6,9 миллиарда километров [16].

Его не разбили намеренно. На Церере могут быть условия, интересные для химии, ведущей к жизни, поэтому правила планетарной защиты требовали, чтобы Dawn не упал на неё в ближайшее время. Конечную орбиту выбрали долговечной: не меньше 20 лет, и с уверенностью больше 99 % — не меньше 50 [16]. Dawn всё ещё там — безмолвный спутник карликовой планеты.

Dawn взвесил оба мира, отслеживая собственный радиосигнал, пока их тяготение тянуло аппарат. Разделите массу на объём — и разница бросается в глаза: Веста примерно так же плотна, как Луна, а плотность Цереры — меньше двух третей плотности Весты. Переключайте слои: размер и тяготение, внутреннее строение и достопримечательности, прославившие каждый мир [9][10][12].

Тяготение на обоих слабое, но не ничтожное, и больший мир не значит более слабый: на поверхности Церера притягивает чуть сильнее Весты. Прыжок с места, поднимающий вас на полметра на Земле, на Церере поднял бы примерно на 17 м, а на Весте — на 19 м, и провисели бы в воздухе около 22–25 секунд. Скорость убегания — несколько сотен метров в секунду: далеко за пределами любого прыжка.