Космический аппарат
Аппарат Dawn сочетает передовые технологии, уже примененные в других миссиях, стандартные элементы, а также запасные части и приборы, оставшиеся от предыдущих миссий. Большинство систем космического аппарата имеет резервирование, это означает, что если основные системы столкнутся с проблемами, будут задействованы дублирующие. Автоматизированная бортовая система защиты от неисправностей определит любое необычное состояние и [при необходимости] попытается перейти на дублирующую систему. При сложенных солнечных батареях аппарат имеет ширину 2,36 м, с расправленными солнечными батареями – 19,7 м.
Конструкция. Основой конструкции космического аппарата Dawn является цилиндр из графитового композита. Внутри цилиндра установлены баки с ксеноном для ионных двигателей и с гидразином для обычных двигателей малой тяги. Цилиндр окружен панелями на алюминиевой основе, облицованными алюминием, большая часть другого оборудования смонтирована на этих панелях. Все панели аппарата облицованы композитным материалом или алюминием и имеют алюминиевую основу. Тепловые экраны, поверхностные радиаторы, покрытия и нагреватели контролируют температурный режим аппарата.Связь. Подсистема телекоммуникации обеспечивает связь с Землей через любую из трех широконаправленных антенн и одну параболическую узконаправленную антенну 1,52 м в диаметре. Узконаправленная антенна является основной для большинства сеансов связи, если аппарат не направлен ею на Землю, то используются широконаправленные антенны. Одновременно может использоваться лишь одна антенна.
Управление ориентацией. Система управления ориентацией отвечает за определение ориентации корабля в пространстве и осуществляет контроль над поддержанием или изменением ориентации аппарата. Аппаратура системы содержит два астроориентатора, три двухосевых инерциальных блока, 16-ть солнечных датчиков и четыре блока маховиков. Эта система управляет шарнирным механизмом, поддерживающим направление солнечных батарей на Солнце. Кроме того, она контролирует поворот в карданном подвесе ионных двигателей в двух осях. Обычно [штатно] система определяет ориентацию космического аппарата, используя астроориентатор для наблюдения за известными звездами.
Ориентация аппарата обычно [штатно] контролируется маховиками, которые по устройству подобны обычным гироскопам, использующим момент инерции вращающейся массы для поддержания или изменения ориентации аппарата. Кроме того, ориентация может поддерживаться или изменяться набором из 12-ти двигателей [на гидразине, тягой в 0,9 Н], образующих реактивную систему управления. Выступая главным образом в качестве резерва для маховиков, сразу после запуска космического аппарата двигатели системы ориентации были использованы для прекращения вращения аппарата и направления солнечных батарей на Солнце.
Ионная двигательная установка обеспечивает Dawn тягой, необходимой для достижения целевых астероидов. Требуемая программа полета была бы невозможна без применения ионных двигателей, даже миссия к одной Весте [без полета к Церере] потребовала бы много большего космического аппарата и значительно большей ракеты-носителя. Ионный двигатель был опробован в миссии НАСА Deep Space 1, где во время путешествия к астероиду и комете были испытаны еще 11 технологий.
Каждый из трех ионных двигателей, имеющих диаметр 30-ть сантиметров, подвижны в двух осях, что позволяет учесть перемещение центра масс аппарата в течение миссии. Это также позволяет системе управления ориентацией использовать ионные двигатели для помощи в управлении ориентацией аппарата.
Каждый из трех ионных двигателей обладает достаточным сроком службы, чтобы завершить миссию и еще иметь достаточный ресурс. Несмотря на это, в любой момент времени работает только один двигатель. Ионные двигатели Dawn работают непрерывно годами, отключаясь лишь на несколько часов каждую неделю для поворота антенн на Землю. Общее время тяги во время миссии составит около 2000 дней, что значительно превышает 687 дней работы ионных двигателей зонда Deep Space 1.
В ионных двигателях аппарата происходит ионизация рабочего тела [ксенона], далее образовавшиеся ионы ускоряются электростатическим полем до скоростей в десять раз превышающих [скорости истечения рабочего тела] химических двигателей. Регулировка уровня подачи рабочего тела и электрического [поля] позволяет управлять [тягой] двигателей. Двигатели экономны в расходе ксенона, используя при максимальной тяге лишь около 3,25 мг/с. Космический аппарат Dawn несет 425 кг ксенона.
Максимальная тяга каждого двигателя 91 мН, для сравнения, вес листа бумаги формата A4 составляет около 50 мН. Это может показаться очень маленькой величиной, но общее изменение скорости под действием ионных двигателей сопоставимо с действием ракеты-носителя Delta II, что вывела аппарат Dawn в космос в 2007 году, потому что ионная двигательная установка будет работать тысячи дней, а Delta II - минуты.
Питание. Система электропитания обеспечивает энергией все бортовые системы, в том числе ионную двигательную установку, требующую во время работы значительную электрическую мощность, которая должна быть обеспечена даже на орбите вокруг Цереры. Эта карликовая планета расположена в три раза дальше от Солнца, чем Земля, поэтому плотность потока солнечного излучения в ее окрестностях в девять раз ниже.
Каждая из двух солнечных батарей имеет длину 8,3 м и ширину 2,3 м. Передняя сторона каждой батареи покрыта 5740 отдельными фотоэлементами и имеет площадь в 18 м 2. Элементы преобразуют в электричество около 28% падающей на них солнечной энергии. На Земле эти две батареи вместе могли бы генерировать более 10 кВт. Батареи установлены на противоположных сторонах космического аппарата на шарнирном соединении, что позволяет поворачивать их под любым углом для направления на Солнце.
Никель-водородный аккумулятор и связанная с ним заряжающая электроника обеспечивает питание во время запуска и в моменты, когда солнечные батареи не направлены на Солнце.
Компьютер. Система обработки команд и данных аппарата Dawn обеспечивает общий контроль над кораблем и управляет потоком технических и научных данных. Система имеет резервирование и основана на радиационно-стойких одноплатных компьютерах RAD6000, каждый из которых имеет по 8 Гбит памяти.
Научные инструменты
Для получения научных данных с Весты и Цереры Dawn несет три системы инструментов. Кроме того, эксперимент по измерению гравитационного [поля] будет выполнен при использовании космического аппарата и наземных систем.
Кадровый фотоаппарат [Framing Camera] разработан для получения в научных целях детальных оптических изображений, а также для навигации в окрестностях Весты и Цереры. Dawn несет две идентичные и в целях резервирования абсолютно независимые друг от друга камеры, каждая из них имеет свою собственную оптику, электронику и конструкцию. Каждая камера оснащена рефракционной оптической системой с фокальным отношением f/7,9 и фокусным расстоянием в 150 мм и может использовать 7 цветных фильтров, что будет полезно при изучении минералов на поверхности Весты. Кроме того, камеры способны регистрировать ближний инфракрасный диапазон электромагнитного спектра. Каждая камера имеет внутреннее хранилище данных на 8 Гбит. Конструированием и производством камер занимался Институт исследований Солнечной системы общества Макса Планка [Германия] в сотрудничестве с Институтом планетных исследований Германского аэрокосмического центра и Техническим университетом Брауншвейга [Institute for Computer and Communication Network Engineering of the Technical University of Braunschweig].
Элементный состав Весты и Цереры будет исследован Детектором гамма и нейтронного излучения [GRaND, Gamma Ray and Neutron Detector]. Этот инструмент использует 21 датчик с очень широким полем обзора для измерения энергии гамма-лучей и нейтронов, отраженных или испущенных небесным телом. GRaND проведет картографирование содержания основных породообразующих элементов, долгоживущих радиоактивных элементов, а также летучих, в том числе водорода, углерода, азота и кислорода, являющихся основными компонентами льдов [которые лежат на глубине до одного метра]. В отличие от остальных инструментов аппарата Dawn GRaND не имеет внутреннего хранилища данных. Инструмент разработан Лос-Аламосской национальной лабораторией [США].
Минералогия поверхностей Весты и Цереры будет исследована Картографирующим спектрометром видимого и инфракрасного диапазона [Visible and Infrared Mapping Spectrometer]. Инструмент является модификацией спектрометров, полетевших в миссиях Европейского космического агентства [ЕКА] Rosetta и Venus Express. Кроме того, прибор несет наследие картографирующего спектрометра видимого и инфракрасного диапазона космического аппарата Cassini [НАСА]. Инструмент регистрирует интенсивность света каждого пикселя всех изображений в более 400-ах диапазонах длин волн. Сравнение данных наблюдений с лабораторными измерениями для аналогичных минералов позволит определить минералы, находящиеся на поверхности Весты и Цереры. Прибор имеет 6 Гбит внутренней памяти, которая может работать в режиме хранилища данных на 3 Гбит с резервированием. Спектрометр был предоставлен Итальянским космическим агентством, он спроектирован и построен Galileo Avionica в сотрудничестве с Национальным институтом астрофизики Италии.
Отслеживая сигнал радиопередатчика аппарата Dawn наземными антеннами, исследователи смогут определить едва различимые изменения гравитационных полей Весты и Цереры, указывающие на распределение массы внутри этих небесных тел, их внутреннюю структуру.
Научные цели
Основная цель миссии Dawn состоит в исследовании астероида 4 Веста и карликовой планеты 1 Церера одним и тем же набором инструментов одного космического аппарата. Глубокий анализ и сравнение этих двух небесных тел даст представление об их происхождении и эволюции, а значит лучшее понимание действовавших на них с момента образования [4,56 миллиардов лет назад] условий и процессов.
Во время орбитальных исследований Весты и Цереры Dawn будет изучать внутреннюю структуру, плотность и однородность путем измерения их массы, формы, объема и состояние вращения, а также определит элементный и минеральный состав. По этой информации ученые смогут определить связь между метеоритами и их родоначальными объектами, а также термальную историю объектов. Изображения поверхности откроют историю бомбардировки, тектоники и, возможно, вулканической активности.
