Dawn (, произносится Дон) — автоматическая межпланетная станция (АМС), запущенная НАСА для исследования астероида Веста и карликовой планеты Цереры.
«Dawn» стал первой миссией по исследованию с орбиты более одного небесного тела, первым аппаратом, работавшим на орбите астероида главного пояса (с 2011 по 2012 год) и первым на орбите карликовой планеты (с 2015 года по настоящее время).
Общее руководство проектом осуществляет Лаборатория реактивного движения. Контракт на разработку и изготовление аппарата был заключен с компанией Orbital Sciences Corporation (Даллас, Вирджиния, США), где за него отвечал менеджер проекта Майкл Мук (Michael Mook). За научную программу миссии отвечает Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе (научный руководитель проекта — ), партнерами которого являются Лос-Аламосская национальная лаборатория, (Катленбург-Линдау, Германия), Институт планетных исследований Германского центра авиации и космонавтики (DLR) (Берлин), Институт инженерии компьютеров и коммуникационных сетей Брауншвейгского технического университета, (Рим) и Итальянское космическое агентство; ракету-носитель поставила компания United Launch Alliance (Денвер, Колорадо).
Стоимость миссии составляет $ 373 млн на построение и запуск аппарата, затем к 2015 году — $ 99 млн на последующее сопровождение — работу и анализ данных.
В настоящее время аппарат находится на бесконтрольной орбите Цереры, на которой продержится по крайней мере до середины XXI века.
Цели и задачи Название АМС — англ. «Рассвет», «Заря» — не связано с какой-то конкретной личностью, а является простым образом, характеризующим основную цель — получение информации, которая поможет лучше изучить ранние этапы формирования Солнечной системы. Веста и Церера — наиболее массивные астероидыНа момент планирования программы работы Dawn Церера официально считалась астероидом, практически полностью уцелевшие в процессе всей эволюции Солнечной системы и поэтому сохранившие свидетельства о физико-химических условиях «на заре» образования нашей планетной системы. При этом Веста и Церера, хотя и сформировались и эволюционировали так близко друг от друга, представляют собой противоположные типы больших астероидов: Веста — безводный ахондрит, претерпевший на ранних этапах дифференциацию и расплавление ядра и основной части мантии, тогда как Церера содержит огромное количество льда, значительно замедлившего термические процессы в ней. Таким образом, миссия Dawn по изучению этих астероидов связывает исследование каменных тел внутренней Солнечной системы и ледяных во внешней части. Она состоит в достижении следующих целей:
Исследовать внутреннюю структуру, плотность (определить объёмную плотность с точностью не ниже 1 %) и однородность двух протопланет. Определить поверхностный рельеф и кратерирование. Определить распределение массы, построить гравитационное поле (с полуволновым разрешением не ниже 90 км и 300 км соответственно), установить расположение главных осей, осей вращения (с точностью не ниже 0,5 %), получить моменты инерции для обоих тел. Установить точную форму, размер, состав и массу Весты и Цереры. Изучить роль воды в процессе эволюции астероидов. Проверить гипотезу, что Веста является источником каменных метеоритов-ахондритов типа (, и диогенитов), и описать их с геологической точки зрения, а также определить, какие метеориты происходят с Цереры.
Для этого должны быть выполнены следующие задачи: Получить изображения не менее 80 % поверхности Весты и Цереры с разрешением не хуже 100 м/пиксель и 200 м/пиксель соответственно и отношением сигнал/шум не ниже 50 без фильтра и как минимум в 3 цветных фильтрах. Произвести картографирование поверхности с помощью спектрометра в диапазоне волн с длиной 0,4—5,0 мкм. Топографировать не менее 80 % поверхности Весты с горизонтальным разрешением не хуже 100 м и вертикальным — не хуже 10 м, а Цереры — с горизонтальным разрешением не хуже 200 м и вертикальным — не хуже 20 м. Осуществить радиозондирование для определения параметров, характеризующих Весту и Цереру с точки зрения динамики твёрдого тела. Получить нейтронные и гамма-спектры для составления карт химического состава деталей рельефа поверхности, в том числе распределения содержания основных породообразующих элементов (кислорода, магния, алюминия, кремния, кальция, титана и железа), следовых элементов (гадолиния и самария) и долгоживущих радиоактивных элементов (калия, тория и урана), а также водорода во всём поверхностном слое (толщиной в 1 м) обоих протопланет с точностью не ниже 20 % и разрешением порядка полутора расстояний, равных высоте съёмки.
Конструкция аппарата АМС «Dawn» сделана компанией Orbital Sciences на базе платформы , созданной для малых геостационарных спутников связи. В основе конструкции станции — цилиндр из графитового композитного материала. Внутри него расположены баки для рабочего тела двигателей — ксенона в виде газа для ионных двигателей и гидразина для обычных. Снаружи цилиндра крепятся панели из алюминия с алюминиевым покрытием, на которых установлена бо́льшая часть остального оборудования. На одной из сторон корпуса установлена главная антенна, на двух других — приводы солнечных батарей. Панель быстрого доступа и другие панели состоят из алюминия и имеют алюминиевое или композитное покрытие. Температура аппарата поддерживается с помощью термоизоляционных экранов, радиаторов на поверхности корпуса, его полированного покрытия, а также более 140 электронагревательных элементов.
На борту Dawn установлена кремниевая пластина размером 8×8 мм, на которую нанесены имена Земли, подавших соответствующую заявку.
Ионный двигатель АМС оборудована тремя ксеноновыми ионными двигателями производства компании L-3 Communications, разработанными на основе образца, испытанного на зонде «Deep Space 1». Они установлены в нижней части аппарата: один вдоль оси, ещё два — на передней и задней панелях.
Принцип работы — ускорение в электрическом поле ионов ксенона (до скорости, почти в 10 раз большей, чем в обычных химических двигателях). Каждый двигатель размером 33 см (длина) на 30 см (диаметр сопла) и массой 8,9 кг имеет тягу и удельный импульс . Ускорение и торможение обеспечиваются за счёт регулирования электрической мощности (от 0,5 до 2,6 кВт, которые подаются непосредственно от солнечных батарей при напряжении от 80 до 160 В) и скорости расхода рабочего тела. Движение осуществляется посредством работы одного из трёх двигателей. При нормальной работе ионные двигатели «Dawn» обеспечивают прирост в скорости на примерно 100 км/ч за 4 суток. Штатный режим разгона КА — недельный с перерывом на несколько часов для «общения» с Землей. Суммарная расчетная продолжительность работы трех двигателей — примерно 2000 суток, в том числе 1885 суток до прибытия на орбиту Цереры. В действительности общее время полёта АМС с включенной тягой достигло 5,9 года (54% полётного времени от запуска до последнего выключения двигателя). Приращение скорости АМС, обеспеченное ионными двигателями, составило 11,4 км/с, что является рекордом, в 2,7 раза превосходящим предыдущее рекордное достижение.
Ксенон был выбран в качестве рабочего тела ионных двигателей, потому что он химически инертен, легко хранится в сжатом виде и имеет достаточно большую атомную массу, чтобы обеспечивать бо́льшую тягу по сравнению с другими веществами. Рабочее тело расходуется экономично — 3,25 мг за секунду (или около в сутки) при максимальной интенсивности работы. В момент запуска ксенон в газообразной форме хранился в баллоне под давлением при плотности, в 1,5 раза большей плотности воды. Из 425 кг рабочего тела (ксенона), имеющегося на борту, на полёт Земля — Веста предполагалось израсходовать 275 кг, на полёт Веста — Церера — 110 кг.
Исследовательские инструменты НаименованиеВнешний видНазначениеОписаниеРазработчик Кадровый фотоаппарат () Получение подробных оптических изображений, а также навигация при подлёте к целям На зонде установлены две (отдельно размещённые) камеры, каждая со своим комплектом оптики и электроники, и при съёмке используется одна из них — основная либо резервная. Каждая камера оснащена чёрно-белой ПЗС-матрицей (1024×1024 пикселя), объективом с диаметром 19 мм, относительным отверстием /7,9 и фокусным расстоянием 150 мм, набором из 7 узкополосных (6 с полушириной 40 нм и 1 с полушириной 80 нм; самый широкий — от 450 до 920 нм) цветных фильтров + пустым полем; имеет поле зрения 5,5×5,5 градусов; время выдержки может быть установлено от 0,001 с до 3,5 часа. Помимо видимого света, камеры способны регистрировать волны в ближнем ИК-диапазоне. Они также имеют собственную систему оцифровки и внутреннюю память объёмом 8 Гб. Камеры были созданы при участии Института планетных исследований Германского центра авиации и космонавтики (DLR) и Института инженерии компьютеров и коммуникационных сетей Брауншвейгского технического университета; находится в ведении Германского центра авиации и космонавтики (DLR) и Института исследований Солнечной системы Общества Макса Планка Детектор нейтронов и гамма-квантов () Определение химического состава поверхностного слоя Весты и Цереры глубиной до 1 м. Конструкция основана на устройстве гамма-спектрометра и нейтронного спектрометра на борту АМС «Lunar Prospector», также запущенной в рамках программы Discovery, и гамма-лучевого спектрометра, установленного на аппарате «Mars Odyssey». Прибор оснащён 21 датчиком (в 4 главных каналах) для регистрации энергий гамма-лучей и нейтронов, отражённых от поверхности исследуемого тела либо испускаемых ею, причём этот сигнал отделяется от фонового. Фотоэлектронный умножитель регистрирует сцинтилляции, вызванные взаимодействием γ-лучей с кристаллом , а также создание ими свободных носителей заряда в полупроводниковом кристалле . Надтепловые и быстрые нейтроны детектируются по их взаимодействию со сцинтилляторами из борированной пластмассы; образующиеся там гамма-лучи регистрируются кристаллами BGO и CdZnTe. Сцинтилляторы оптически связаны с фотоумножителями для обеспечения возможности регистрации низкоэнергетических фотонов. Те же фотоумножители, связанные со сцинтилляторами из литированного стекла, служат для регистрации тепловых нейтронов. GRaND имеет очень широкую зону обзора, но чувствительность не везде одинакова, полуширина минимально разрешимого участка поверхности составляет порядка полутора расстояний, равных высоте съёмки. Однако зная расположение геологических объектов, определённое другими приборами, можно получить пространственное распределение химических элементов с разрешением, в 3 раза лучшим собственного разрешения детектора нейтронов и гамма-квантов. В отличие от других инструментов, в детекторе нет собственного внутреннего устройства хранения данных. Инструмент изготовлен Лос-Аламосской национальной лабораторией, а отвечает за него рабочая группа в Планетологическом институте США. Спектрометр видимого и инфракрасного диапазонов () Минералогический анализ поверхности Весты и Цереры Прибор является модификацией спектрометров, применявшихся на космических зондах «Розетта» и «Венера-экспресс», а также унаследовал ряд элементов конструкции от аналогичного инструмента на борту аппарата «Кассини». Инструмент регистрирует интенсивность освещения каждого пикселя ПЗС-матрицы для длин волн 0,25—1 мкм, либо массива фотодиодов HgCdTe при температуре 70 К для длин волн 0,95—5 мкм — всего 400 различных длин волн в видимом и инфракрасном диапазоне — затем из сравнения получаемой картины с известными данными лабораторных исследований можно делать выводы о минералогическом составе поверхности Весты и Цереры. Спектрометр имеет длину щели 64 мрад, объем встроенной памяти — 6 Гб, которые могут использоваться как 2 Гб резервного хранилища данных. Прибор был создан , дочерней фирмой холдинга Leonardo на средства Итальянского космического агентства под научным руководством , в ведении которого и находится его работа.