Psyche (космический аппарат)

Psyche — планируемая миссия NASA по изучению металлического астероида 16 Психея, с помощью которого можно изучать происхождение планетных ядер. Линди Элкинс-Тантон из университета Аризоны является основоположником миссии, она предложила эту миссию NASA для программы «Discovery». Проектом будет управлять лаборатория реактивного движения (JPL). Планируется что запуск будет произведён с помощью ракеты Falcon Heavy в июле 2022 года. В качестве попутной нагрузки в космос будут выведены два малых аппарата: EscaPADE (Escape and Plasma Acceleration and Dynamics Explorers) для исследования атмосферы Марса и Janus для исследования двойных астероидов (предварительно определены две потенциальные цели: 1991 VH и 1996 FG3).

Также рассматривались другие возможности, например «Афина» для пролёта мимо астероида (2) Паллада.

(16) Психея является самым тяжёлым из известных астероидов класса М, считается, что это ядро протопланеты, остаток после столкновения, которое содрало все остальные слои. Радарные наблюдения говорят, что этот астероид состоит из железа и никеля. Миссию Психея окончательно утвердили 4 января 2017 года.

Обзор миссии

Данные показывают, что астероид (16) Психея имеет диаметр около 252 км. Учёные считают, что (16) Психея может быть открытым ядром протопланеты, которая могла быть такой же большой, как Марс, и потерять свою поверхность в результате серии столкновений.

Аппарат будет построен Лабораторией реактивного движения (JPL) НАСА в сотрудничестве с SSL (ранее Space Systems/Loral) и Университетом штата Аризона.

Предполагается, что ракета может использоваться совместно с отдельной миссией «Афина», которая будет выполнять один полёт к астероиду (2) Паллада — третьему по величине астероиду в Солнечной системе.

Научные цели и задачи

Дифференциация была фундаментальным процессом формирования многих астероидов и всех планет земной группы, и прямое исследование ядра могло бы значительно улучшить понимание этого процесса. «Психея» будет изучать геологию, форму, элементный состав, магнитное поле и распределение масс астероида (16) Психея. Ожидается, что эта миссия расширит понимание формирования планет и их внутренних структур. Научные цели миссии:

• Понять ранее неисследованную часть формирования планеты: железные ядра.
• Заглянуть внутрь планет земной группы, включая Землю, непосредственно исследуя внутреннюю часть дифференцированного тела, которое иначе не было бы видно.
• Исследовать новый тип мира, сделанный из металла.
• Определить, является ли (16) Психея ядром, или это расплавленное вещество.
• Определить относительный возраст областей поверхности (16) Психеи.
• Определить, содержат ли небольшие металлические тела те же лёгкие элементы, которые ожидаются в ядре высокого давления Земли.
• Определить, образовалась ли (16) Психея в условиях, более окислительных или более восстановительных, чем ядро Земли.
• Охарактеризовать топографию (16) Психеи.

Научные вопросы миссии:

• Является ли (16) Психея обнажённым ядром дифференцированного планетезимала, или оно было сформировано как богатое железом тело? Каковы были части планет до слипания? Были ли у планетезималей, которые образовались вблизи Солнца и далеко очень разные составы?
• Если (16) Психея была лишена своей мантии, когда и как это произошло?
• Если (16) Психея когда-то была расплавлена, она затвердела изнутри или снаружи?
• Возможно, (16) Психея обладает магнитным полем, как он охлаждается?
• Каковы основные элементы, которые сосуществуют в металлическом железе сердечника?
• Каковы основные характеристики геологической поверхности и глобальной топографии? (16) Психея радикально отличается от известных каменистых и ледяных тел?
• Чем отличаются кратеры на металлическом теле от скал или льда?

План полёта

Психея прибудет к (16) Психея и выйдет на орбиту 31 января 2026 года. Космический корабль будет вращаться на уменьшающихся высотах или режимах. Его первый режим, «Орбита A», позволит космическому кораблю выйти на орбиту длиной 700 км для определения магнитного поля и предварительного картографирования в течение 56 дней. Затем он опустится на орбиту B, установленную на высоте 290 км, на 76 дней для тех же целей. Далее он опустится на орбиту C на высоте 170 км, на 100 дней для исследования гравитации и магнитного поля. Наконец, орбитальный аппарат выйдет на орбиту D на высоте 85 км, чтобы определить химический состав поверхности с помощью гамма-излучения и нейтронных спектрометров. Планируется, что аппарат пробудет на орбите астероида в течение не менее 21 месяца.

История

Миссия «Психея» была представлена в рамках конкурса предложений для программы «Discovery» НАСА в феврале 2015 года. Она была включена в список из 5 финалистов 30 сентября 2015 года и получила 3 млн долл. на дальнейшую разработку концепции. Одним из аспектов отбора было длительное «посещение объекта», когда около 30 сотрудников НАСА приходят и проводят собеседования, осматривают и задают вопросы авторам предложений и их плану.

4 января 2017 года «Люси» и «Психея» были выбраны для 13-й и 14-й миссий «Discovery», соответственно, с запуском «Психеи» в 2023 году. В мае 2017 года дата запуска была перенесена на август 2022 года с ожидаемым прибытием 31 января 2026 года и манёвром в гравитационном поле Марса 23 мая 2023 года.

В феврале 2021 г. НАСА сообило о том, что реализация миссии «Психея» в скором времени вступит в финальную стадию.

Конструкция КА

«Психея» будет использовать солнечный ЭРД[уточнить], и будет нести научную полезную нагрузку: A-магнитометр и гамма-спектрометр.

Полезная нагрузка

Психея будет летать с грузом 30 кг, состоящим из четырёх научных инструментов:

• Многоспектральная камера обеспечит изображения с высоким разрешением с помощью фильтров для различения металлических и силикатных компонентов.
• Гамма-и нейтронный спектрометр проанализирует и отобразит элементный состав астероида.
• Магнитометр будет измерять и отображать остаточное магнитное поле астероида.
• Оборудование будет использовать радиосвязь рентгеновского диапазона для измерения гравитационного поля астероида и определения его внутренней структуры.
• Космический корабль также будет испытывать экспериментальную технологию лазерной связи под названием Deep Space Optical Communications. Ожидается, что устройство сможет повысить производительность и эффективность связи космического корабля в 10-100 раз по сравнению с обычными средствами. Лазерные лучи от космического корабля будут приниматься наземным телескопом в Паломарской обсерватории в Калифорнии.

Двигатель

Эта миссия будет использовать двигатель SPT-140 (стационарный плазменный двигатель[уточнить]) с эффектом Холла, использующий солнечную электрическую тягу, когда электричество, генерируемое солнечными батареями, передаётся на электрический, а не на химический ракетный двигатель. Двигатель номинально рассчитан на рабочую мощность 4,5 кВт, мощность в течение длительного времени — около 900 Вт.

Концепция двигателя была разработана в России в ОКБ «Факел» и дорабатывалась в НАСА и компаниях Space Systems/Loral и Pratt & Whitney с конца 1980-х годов. SPT-140 был впервые испытан в США в 2002 году в рамках программы внедрения ракетных движителей ВВС США. Использование солнечных электрических двигателей позволит космическому аппарату достичь 16 Психеи (3,3 астрономических единиц) гораздо быстрее, при этом потребляя всего 10 % топлива, что потребуется при использовании обычных химических двигателей.

Электричество будет генерироваться двусторонними солнечными батареями в форме буквы X с пятью панелями на каждой стороне.