Межзвездное картографирование и зонд ускорения - Interstellar Mapping and Acceleration Probe

Межзвездное картографирование и зонд ускорения
Interstellar Mapping and Acceleration Probe.jpg
Художественная концепция IMAP, отображающая границу гелиосферы.
Имена IMAP
Тип миссии Исследования гелиосферы
Оператор Лаборатория прикладной физики
Интернет сайт https://imap.princeton.edu/
Продолжительность миссии 3 года (планируется)
Свойства космического корабля
Производитель Лаборатория прикладной физики
Начало миссии
Дата запуска 1 февраля 2025 г. (планируется)
Ракета Сокол 9 Блок 5
Запустить сайт CCSFS , LC-40
Подрядчик SpaceX
Параметры орбиты
Справочная система Геоцентрическая орбита
Режим Гало-орбита ( L1 )
Инструменты
10 инструментов
 

Interstellar Mapping и ускорение Probe (IMAP) является гелиофизика миссия , которая будет одновременно исследовать два важные и связанную тему науки в гелиосферах : ускорение энергичных частиц и взаимодействии солнечного ветра с локальной межзвездной средой . Эти научные темы взаимосвязаны, потому что частицы, ускоренные во внутренней гелиосфере, играют решающую роль во внешнем гелиосферном взаимодействии. В 2018 году НАСА выбрало команду под руководством Дэвида Дж. МакКомаса из Принстонского университета для реализации миссии, запуск которой в настоящее время планируется в феврале 2025 года. IMAP будет спутником со стабилизированным вращением, отслеживающим Солнце, на орбите вокруг Солнца - Земля L1. Точка Лагранжа с научной нагрузкой из десяти инструментов. IMAP также будет непрерывно транслировать данные в реальном времени на месте, которые можно использовать для прогнозирования космической погоды .

Это пятая миссия, выбранная в программе Solar Terrestrial Probes после TIMED , Hinode , STEREO и MMS .

Наука

Ускорение заряженных частиц до высоких энергий повсеместно во Вселенной, происходящее у звезд , магнитосфер , черных дыр , нейтронных звезд , остатков сверхновых и в других местах. Точные процессы, лежащие в основе этого ускорения, не совсем понятны. Существуют промежуточные надтепловые частицы, энергия которых находится между энергичными частицами и основной тепловой плазмой . Понимание того, как эти частицы возбуждаются и образуют начальную популяцию энергичных частиц, является одной из научных тем, которые будет исследовать IMAP.

Солнечного ветра и связанное с ним магнитное поле взорвали пузырь в межзвездном пространстве называется гелиосферы . IMAP будет изучать границу гелиосферы, где солнечный ветер сталкивается с материалом остальной части галактики . Используя энергетические нейтральные атомы (ENA), IMAP будет отображать эту область взаимодействия из внутренней части Солнечной системы . Кроме того, IMAP также будет напрямую измерять нейтральные частицы межзвездной среды, потому что они протекают через гелиосферу в относительно неизменном виде.

Научные цели IMAP основаны на четырех научных целях, указанных в объявлении о возможностях IMAP (снаружи внутрь):

  • Улучшить понимание состава и свойств локальной межзвездной среды (LISM).
  • Углубленное понимание временной и пространственной эволюции пограничной области, в которой взаимодействуют солнечный ветер и межзвездная среда.
  • Выявление и продвижение понимания процессов, связанных с взаимодействием магнитного поля Солнца и LISM.
  • Выявление и углубленное понимание процессов инжекции и ускорения частиц вблизи Солнца, в гелиосфере и гелиослое.

Миссия

Профиль

После запуска космическому кораблю потребуется несколько месяцев, чтобы пройти на расстояние около 1 500 000 км (930 000 миль) от Земли к Солнцу в так называемой первой точке Лагранжа (L1). Затем космический корабль будет использовать бортовую силовую установку для выхода на гало-орбиту примерно 10 ° x 5 ° вокруг L1, очень похожую на орбиту Advanced Composition Explorer (ACE). Базовая миссия - 3 года, но все расходные материалы рассчитаны на срок службы более 5 лет.

Космический корабль

IMAP - это простой космический аппарат со стабилизированным вращением (~ 4 об / мин ) с десятью инструментами. Ежедневные маневры ориентации будут использоваться для удержания оси вращения и верхней палубы (с солнечными батареями) в направлении набегающего солнечного ветра, который находится в нескольких градусах от Солнца. На гало-орбите L1 задняя палуба со своей коммуникационной антенной приблизительно указывает на Землю.

Инструменты

Энергетические спектры частиц для ионов и энергичных нейтральных атомов (вставка) на расстоянии 1 а.е. и соответствующие населенности частиц и диапазоны приборов IMAP.

Десять инструментов IMAP можно сгруппировать в три категории: 1) детекторы энергетических нейтральных атомов (IMAP-Lo, IMAP-Hi и IMAP-Ultra); 2) Детекторы заряженных частиц (SWAPI, SWE, CoDICE, HIT); и 3) другие согласованные измерения (MAG, IDEX, GLOWS).

Здесь (верхняя панель) показаны плотности потока кислорода, измеренные на уровне 1 а.е. несколькими приборами на борту Advanced Composition Explorer (ACE) в течение 3-летнего периода, с репрезентативными спектрами частиц, полученными для постепенных и импульсных частиц солнечной энергии (SEP), коротационных областей взаимодействия ( CIRs), Аномальные космические лучи (ACRS) и галактические космические лучи (ГКЛ) и (верхняя панель вставка) ионные потоки в Voyager 1 направлении с использованием в точке наблюдения с Voyager и отдаленных наблюдений ЕСА от Кассини-Гюйгенс и межзвездной Boundary Explorer , ( IBEX). (Средняя панель) SWAPI, CoDICE и HIT предоставляют исчерпывающие данные о составе, энергии и угловом распределении для всех основных видов солнечного ветра (ядро и гало), межзвездных и внутренних источников ионов, надтепловых, энергетических и ускоренных ионов из SEP. межпланетные шоки, а также ACR. SWE, CoDICE и HIT также обеспечивают распределение энергии и углового распределения ионов солнечного ветра и электронного ядра, гало, страла, а также энергичных и релятивистских электронов с энергией до 1 МэВ .

IMAP-Lo

IMAP-Lo - это однопиксельный сканер нейтральных атомов, который дает измерения с энергетическим и угловым разрешением атомов ISN ( H , He , O , Ne и D), отслеживаемых более 180 ° по эклиптической долготе и глобальным картам ENA H с энергетическим разрешением. и О. IMAP-Lo унаследовал от IBEX-Lo на IBEX, но обеспечивает гораздо большую мощность сбора.

IMAP-Привет

IMAP-Hi состоит из двух идентичных однопиксельных высокоэнергетических тепловизоров ENA, которые измеряют H, He и более тяжелые ENA из внешней гелиосферы . Каждый имидж-сканер IMAP-Hi очень похож по конструкции на имидж-сканер IBEX- Hi ENA, но включает в себя ключевые модификации, которые позволяют существенно улучшить разрешение, спектральный диапазон и мощность сбора. Инструмент также включает в себя систему времени пролета (TOF) для идентификации видов ENA.

IMAP-Ультра

Инструмент IMAP-Ultra отображает излучение ENA, производимое в гелиооболочке и за его пределами, в основном в атомах H между ~ 3 и 300 кэВ, но он также чувствителен к вкладам He и O. Ultra почти идентичен энергетическому нейтральному тепловизору Юпитера. (Джени), в разработке для полета на Европейское космическое агентство «s Jupiter Icy Moon Проводник (СОК) миссии Юпитера и Ганимеда . Основными отличиями Ultra от JENI являются использование двух идентичных копий, одна из которых установлена ​​перпендикулярно оси вращения IMAP (Ultra90), а другая - под углом 45 ° от оси вращения, направленной против солнца (Ultra45), для лучшего покрытия неба, а также использование слегка более толстая фольга, фильтрующая УФ-излучение, покрывающая MCP задней панели, чтобы уменьшить фон, связанный с межзвездными фотонами Лаймана-α.

Солнечный ветер и ионный захват (SWAPI)

Прибор Solar Wind and Pickup Ion (SWAPI) измеряет в солнечном ветре H + и He ++ и межзвездные поглощающие ионы He + и H + (PUI). SWAPI почти идентичен инструменту New Horizons Solar Wind Around Pluto (SWAP). SWAPI - это упрощение SWAP, и за счет удаления задерживающего анализатора потенциала SWAP значительно увеличивается передача и улучшается чувствительность, дополнительно улучшая наблюдения за PUI.

Солнечный Ветер Электрон (SWE)

Прибор Solar Wind Electron (SWE) измеряет трехмерное распределение тепловых и надтепловых электронов солнечного ветра от 1 эВ до 5 кэВ. SWE основан на традиционных инструментах Ulysses / SWOOPS, ACE / SWEPAM и Genesis / GEM, с обновленной электроникой на основе Van Allen Probes / HOPE. SWE оптимизирован для измерения электронов солнечного ветра на месте на L1, чтобы обеспечить контекст для измерений ENA и выполнения наблюдений солнечного ветра на месте, необходимых для понимания местных структур, которые могут влиять на ускорение и перенос.

Компактный эксперимент с двойным ионным составом (CoDICE)

Компактный эксперимент по составу двух ионов (CoDICE) измеряет заряженные частицы в двух различных диапазонах энергии в компактном комбинированном приборе. CoDICELo - это электростатический анализатор с подсистемой зависимости времени пролета от энергии (TOF / E) для измерения функций трехмерного распределения по скоростям (VDF) и состояния заряда и массового состава ионов ~ 0,5–80 кэВ / q. CoDICEHi использует общую подсистему TOF / E для измерения массового состава и направления прибытия ионов ~ 0,03–5 МэВ / ядро ​​и электронов ~ 20–600 кэВ.

Ионный телескоп высоких энергий (HIT)

Телескоп с высокоэнергетическими ионами (HIT) использует кремниевые твердотельные детекторы для измерения элементного состава, энергетических спектров, углового распределения и времени прихода H к ионам Ni в диапазоне энергий от ~ 2 до ~ 40 МэВ / ядер. HIT, в значительной степени основанный на низкоэнергетическом телескопе (LET) Солнечной обсерватории земных связей (STEREO) , обеспечивает полное покрытие неба с большим геометрическим фактором. Часть области просмотра HIT также оптимизирована для измерения электронов 0,5–1,0 МэВ.

Магнитометр (MAG)

Магнитометр IMAP (MAG) состоит из пары идентичных трехосных феррозондовых магнитометров, которые измеряют трехмерное межпланетное магнитное поле. Оба магнитометра установлены на штанге высотой 1,8 м, один на конце, а другой в промежуточном положении. Эта конфигурация за счет градиентометрии снижает влияние магнитных полей космического корабля на измерения прибора за счет динамического удаления поля космического корабля. MAG основаны на магнитометрах Magnetospheres Multiscale Mission .

Межзвездный эксперимент с пылью (IDEX)

Interstellar Dust Experiment (IDEX) - это анализатор пыли с высоким разрешением, который обеспечивает элементный состав, скорость и массовое распределение частиц межзвездной пыли . Головка датчика IDEX имеет большую эффективную площадь цели (700 см 2  [110 кв. Дюймов]), что позволяет ей собирать статистически значимое количество ударов пыли (> 100 / год).

Глобальная структура солнечного ветра (GLOWS)

Инструмент GLObal Solar Wind Structure (GLOWS) измеряет гелиосферное резонансное свечение обратного рассеяния водорода (линия Лаймана-альфа на 121,6 нм [4,79 × 10 -6 дюймов  ]) и гелия (на 58,4 нм [2,30 × 10 -6 дюймов  ]) . GLOWS состоит из двух отдельных детекторов: LαD и HeD для двух спектральных каналов с лучом зрения, направленным под разными углами по отношению к оси вращения IMAP. Детектор Lyman-α (LαD) почти идентичен LαD в миссии NASA TWINS , а HeD использует новый монохроматор.

Связь

Номинально у IMAP будет два 4-часовых контакта в неделю через NASA Deep Space Network (DSN). Этого достаточно для загрузки любых команд, загрузки научных данных за неделю и ведения домашнего хозяйства, а также выполнения локации космических аппаратов, необходимой для навигации. DSN будет связываться с IMAP Mission Operation Center (MOC) в лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса , который будет управлять космическим кораблем. Все научные и вспомогательные данные будут проходить через MOC в Центр научных операций (SOC) в Лаборатории атмосферной и космической физики (LASP) в Университете Колорадо в Боулдере . IMAP SOC в LASP будет нести ответственность за все аспекты работы с приборами: планирование, управление, мониторинг работоспособности и состояния, реагирование на аномалии и техническое обслуживание приборов. SOC также будет заниматься обработкой научных данных (включая калибровку данных, проверку и предварительный анализ), распределением, архивированием и поддержанием плана управления данными IMAP. Научные данные будут производиться централизованно с использованием алгоритмов, программного обеспечения и данных калибровки, предоставляемых и управляемых каждой группой инструментов.

Все научные и другие данные будут передаваться гелиофизическому сообществу так быстро, как это практически возможно с политикой открытых данных, соответствующей Политике управления данными NASA по гелиофизике. NASA Space Physics Data Facility (SPDF) - это последний архив для IMAP с регулярной передачей данных в SPDF, чтобы данные можно было сделать доступными через их сайт координированного анализа данных (CDAWeb).

Данные о космической погоде

IMAP будет предоставлять важные данные о космической погоде в реальном времени через свою «активную связь IMAP для реального времени» или I-ALiRT. IMAP будет непрерывно транслировать небольшую часть (500 бит / с) научных данных для I-ALiRT на поддерживающие наземные станции по всему миру, когда они не находятся в контакте с DSN. Во время отслеживания DSN система полета включает данные о космической погоде в поток научных данных с полной скоростью, которые MOC получает от DSN и направляет в SOC. В любом случае SOC обрабатывает эти наблюдения в реальном времени для создания продуктов данных, необходимых сообществу космической погоды. Данные включают все важные параметры, которые в настоящее время предоставляет Advanced Composition Explorer (ACE), но со значительно более высокой частотой, а также несколько новых ключевых параметров.

Управление

Это пятая миссия в программе НАСА Solar Terrestrial Probes . Офис программы гелиофизики в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд , управляет программой STP для отдела гелиофизических наук в Вашингтоне, округ Колумбия .

Главный исследователь миссии - Дэвид Дж. МакКомас из Принстонского университета . Университет Джонса Хопкинса «s Лаборатория прикладной физики в Лорел, штат Мэриленд , обеспечит управление проектом.

Стоимость миссии ограничена 564 миллионами долларов США без учета затрат на запуск ракеты-носителя SpaceX Falcon 9 с космического стартового комплекса 40 мыса Канаверал (SLC-40) на станции космических сил на мысе Канаверал (CCSFS) во Флориде . По состоянию на апрель 2020 года предварительная общая стоимость миссии оценивается в 707,7–776,3 млн долларов США.

Миссии возможностей

НАСА планирует включить адаптер EELV Secondary Payload Adapter (ESPA) ( усовершенствованная одноразовая ракета-носитель ) Grande под космическим кораблем IMAP, что даст возможность для 4 или 5 дополнительных полезных нагрузок перемещаться вместе с запуском IMAP. Развертывание дополнительных полезных нагрузок произойдет после развертывания IMAP на переходной орбите к точке Лагранжа L1 Земля-Солнце . Некоторые из слотов могут использоваться другими подразделениями в Управлении научной миссии, а некоторые могут использоваться другими правительственными учреждениями. Две возможности за места были разыграны для Отдела гелиофизических наук в рамках Третьей автономной миссии по уведомлению о возможностях (SALMON-3), приложение элемента программы (PEA), предложения по обеим должны быть представлены 30 ноября 2018 г. Отбор для исследований фазы A должен будет объявлено в 2019 году.

Возможности науки

Объявление о возможности проведения гелиофизических научных миссий (MoO) 2018 года включало вариант предложения Small Complete Mission (SCM) для использования IMAP ESPA Grande для запуска вторичной полезной нагрузки. До двух портов в кольце ESPA Grande могут быть выделены для Science MoOs. Полезные нагрузки обозначены как класс D, как определено в NPR 8705.4.

Возможность TechDemo

В объявлении о возможности проведения демонстрации гелиофизических технологий (TechDemo) в 2018 г. были запрошены предложения SCM по демонстрации космических полетов инновационных технологий среднего уровня технологической готовности (TRL), которые позволяют значительно продвинуться в достижении целей и задач НАСА в области науки о гелиофизике. Исследования TechDemo должны быть предложены для полета в качестве дополнительной полезной нагрузки с миссией IMAP. Для TechDemo может быть выделено до двух портов в кольце ESPA Grande. Полезные нагрузки обозначены как класс D, как определено в NPR 8705.4. Отбор в сторону понижения намечен на третий квартал 2020 финансового года.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки