Изучение Солнечной системы с помощью камер, полярников и магнитометров космического корабля Voyager
Когда мы продолжим празднование четвертого десятилетия Voyager в космосе, давайте взглянем на некоторые из инструментов, которыми пользуются космические аппараты Voyager: камеры, поляриметры и трехосные магнитные магниты.
Когда космический корабль Voyager приближается к своему 40-м году в космосе, All About Circuits празднует невероятные достижения одаренных инженеров еженедельной серией статей, которая напоминает читателям о достижениях электротехники прошлого поколения.
За последние несколько недель мы рассмотрели различные аспекты миссии Voyager. Загляните в эти статьи:
- Введение
- RTG (радиоизотопный термоэлектрический генератор)
- Связь на большие расстояния
- Компьютеры управления, данных и управления положением
- Инфракрасный интерферометр, спектрометр и радиоастрономия
На этой неделе координатор серии Марк Хьюз дает нам информацию о камерах Voyager, поляриметрах и магнитометрах.
Подсистема визуализации Voyager
К сожалению, системы камер на космическом корабле Voyager были отключены несколько десятилетий назад. Это потому, что они так далеко выехали в космос, что они больше не получают достаточного света для работы по назначению. NASA отключило систему камеры для Voyager 1 после того, как в 1990 году она взяла «Семейный портрет солнечной системы», а Voyager 2 сняла свою последнюю фотографию на своей встрече в Нептуне в 1989 году.
Диаграмма «Семейного портрета солнечной системы», сделанная Voyager 1. Изображение предоставлено NASA
Voyager имеет две цифровые видеокамеры с разрешением 800x800-14 мкм, установленными в конце настраиваемой платформы сканирования. С 8 бит на пиксель каждый кадр требовал 5 120 000 бит, которые могли быть записаны на магнитную ленту с мощностью 536 миллионов бит на 115 200 бит / с или переданы обратно на приемники Deep Space Network на Земле со скоростью 8400 или 14 400 бит / с. Резервное копирование на магнитной ленте было необходимо для хранения изображений во время окклюзии (когда планета или спутник заблокировала путь радиопередачи) и воспроизводилась с меньшей скоростью передачи данных.
Каждая камера имеет фокусировку и фильтрацию оптики, которая позволяет ученым создавать цветные изображения из 8-битных снимков в оттенках серого.
Эта художественная интерпретация атмосферы Юпитера иллюстрирует тип изображения, записанного с помощью различных фильтрующих колес. Фото: НАСА, перевод Марк Хьюз
Один из них представляет собой широкоугольный диаметр 200 мм, диаметр 60 мм (f / 4.17 с апертурой с потерей и потерей передачи), чувствительный к спектральному диапазону от 400 нм до 620 нм и имеющий поле зрения 3, 2 °. Он пропускает свет через колесо фильтра с режекторными фильтрами в диапазоне от 425 до 600 нм, которые содержат прозрачный, фиолетовый, синий, зеленый, оранжевый, натрий-натриевый фильтр 0, 7 нм с центром в 589 нм и два метановых фильтра с центром в 541 нм и 619 нм.
Реконструкция широкоугольной боковой диаграммы камеры, найденной здесь
Другая - узкоугольная апертура 1500 мм, 176 мм, (f / 11.8 эффективная апертура с затенением и потерями при передаче), которая чувствительна к спектральному диапазону от 420 нм до 620 нм, который имеет поле зрения 0, 4 °. Фильтрующее колесо с режекторными фильтрами в диапазоне от 345 до 590 нм имеет два прозрачных фильтра, два зеленых фильтра и один фиолетовый, синий, оранжевый и ультрафиолетовый фильтры.
Vidicon Videocamera Tube
После того, как свет проходит через фокусирующую оптика, колесо фильтра и затвор, он достигает лицевой панели улучшенной камеры камеры Vidicon.
Изображение от Olympus Scientific
Лицевая панель трубки Vidicon имеет сигнальную пластину, состоящую из проводящего слоя оптически прозрачного и электропроводящего олово-оксида (SnO₂) и полупроводниковой пластины-мишени из трисульфида сурьмы (Sb₂S₃).
Когда на лицевую панель не попадают фотоны, слой оксида олова действует как отличный изолятор. Когда фотоны ударяют олово-оксид, они приводят к тому, что электроны из более низких энергетических зон переходят в проводящие полосы в олово-оксиде. Там свободные электроны движутся к сигнальной пластине и отводятся от лицевой панели с положительной разностью потенциалов, поддерживаемой между сигнальной пластиной и задней частью трубки.
В то же время катод излучает электроны в задней части трубки, а разность потенциалов, которая существует между двумя сетками, медленно ускоряет электроны к лицевой панели, а электромагнитные катушки отклонения направляют их в разные места на экране. Когда электроны приближаются к экрану, они входят в область, где электрическое поле замедляет их до почти нулевой скорости. Затем они заполняют отверстия, оставленные электронами, которые были освобождены фотоэлектрическим эффектом, сбросив эту часть цели.
Большее количество падающих фотонов освобождает большее количество освобожденных электронов в этих областях мишени и регистрируется как более высокий ток, поскольку электроны заполняют дыры в этот момент при сканировании.
Система камеры весит 84, 15 кг (38, 17 кг) и использует мощность 41, 9 Вт.
Фотополяриметрическая система (PPS)
Давайте посмотрим на фотополяриметрические системы на космическом корабле Voyager. Они, как и камеры, были отключены из-за отсутствия доступного света.
Свет состоит из распространяющихся электромагнитных волн. Компоненты электрического и магнитного полей колеблются в плоскостях, которые ортогональны направлению движения. Когда электрические поля всех световых волн в образце выровнены, свет считается поляризованным. Поляризационные фильтры позволяют пропускать свет с параллельной поляризацией, блокируя свет перпендикулярной поляризации.
Простое объяснение поляризационных фильтров. Изображение предоставлено Bigshot
Свет, покидающий солнце, не поляризуется - по существу бесконечное число атомов и молекул в фотосфере Солнца посылает свет, распространяющийся наружу во всех направлениях и во всех поляризациях одновременно. Это создает случайный источник света, который освещает планеты Солнечной системы.
Различные частоты света взаимодействуют с различными молекулами в атмосфере планеты и на поверхности планеты, чтобы стать поляризованными. Интенсивность света, проходящего через различные цветовые фильтры, а затем различные поляризационные фильтры, позволяет ученым определять относительное обилие и типы молекул.
PPS на Voyager состоит из 15-сантиметрового телескопа, который фокусирует свет на путь трех перекрывающихся фильтрующих колес, за которым следует фотоумножитель. Поляризационное колесо фильтра содержит линейные поляризационные фильтры, выровненные на 0, 60 и 120 градусов, а также заготовку.
Колесо цветного фильтра содержит режекторные фильтры с центрированием в 590 нм, 490 нм, 390 нм, 310 нм, 265 нм, 235 нм, 750 нм и 727 нм, которые использовались для идентификации натрия, водорода, гелия, кальция, моноксида углерода, кислорода, магния, кремния, калия и метана.
Изображение фотополяриметрической системы от CF Lillie и RS Polidan, Northrop Grumman Сотрудничество
Пройдя через фильтры, входящий свет поступит на фотоумножитель. Там один или многие входящие фотоны прибудут на фотокатод и (через фотоэлектрический эффект) вызывают выброс одного или многих электронов из их родительского атома. Эти электроны ускорятся из-за разности потенциалов по длине трубки на другую поверхность, называемую динодом.
Каждый заряд электрона и добавленная кинетическая энергия увеличивали бы число электронов, покидающих поверхность динода, и ускорялись бы через электрическое поле в другой динод. Цепочная реакция продолжалась до тех пор, пока электроны не достигли конца трубки, где теперь очень большое количество электронов проходит через анод к счетчику тока.
Изображение фотоумножителя из Университета штата Флорида
Фотоумножитель работает как очень чувствительная однопиксельная аналоговая камера с регулируемым полем зрения. Поскольку Вояджер путешествовал по интересующей планете или спутнику, ученые тщательно отслеживали положение и ориентацию космического аппарата во время записи данных. Один набор данных PPS дает следующее описание: «Карта« Восток-Запад »представляет собой растровое сканирование поля обзора 0, 11 град через северное полушарие Сатурна с фазовым углом 10 град. Это отскок от терминатора до 5 широт группы."
Фотолабораметр весит 4, 4 кг (9, 7 фунта) и использует 2, 4 Вт средней мощности.
Магнитные полевые инструменты
Все еще находящиеся в эксплуатации (по крайней мере, на данный момент), являются магнитометрами Voyager.
Каждый космический корабль «Вояджер» несет четыре инструмента с магнитным полем. На теле космического корабля установлены два высокопольных инструмента, чувствительных к $$ 2 \ times10 ^ {- 12}; T $$ до $$ 5 \ times10 ^ {- 5}; T $$. Два низкопольных инструмента, чувствительных к $$ 1, 2 \ times10 ^ {- 8}; T $$ to $$ 2 \ times10 ^ {- 3}; T $$, монтируются на растягивающуюся эпоксидную стеклянную стрелу.
Художественное толкование магнитного магнитометра с трехосным кольцевым сердечником с катушкой-пикапом (tan → blue), обернутой вокруг внешней катушки возбуждения (красного цвета), которая спирально намотана вокруг ферромагнитного тороидального сердечника (оранжевого цвета). Изображение от Марка Хьюза
Магнитометры с кольцевым сердечником, используемые на Voyager, работают, применяя переменный ток к катушке возбуждения, которая намотана вокруг ферромагнитного сердечника и контролирует изменения кривых возбуждения и релаксации магнитного гистерезиса с внешней обмоткой катушки.
Каждый прибор состоит из трех одноосных, кольцевых, магнитных магнитов. По мере прохождения космическим аппаратом солнечной системы и вокруг планет магнитометры обеспечивают трехмерную напряженность магнитного поля, которую ученые на земле могут использовать для построения моделей магнитного поля планет, спутников и солнечной системы.
Данные магнитного поля Voyager из Университета Колорадо Боулдер. Узнайте больше на своем сайте для Лаборатории физики атмосферы и космоса
Общий вес эксперимента по магнитным полям составляет 5, 5 кг (12 фунтов). В эксперименте используется 3, 2 Вт мощности.
Вывод
В то время как камеры и фотополяриметрические системы были отключены десятилетиями назад из-за отсутствия доступного света, магнитометры продолжают измерять слабые магнитные поля, существующие в межзвездной среде.
Низкие требования к мощности магнитометрической системы позволили бы ему обнаруживать информацию о магнитном поле о межзвездной среде на многие десятилетия вперед, однако в ближайшие несколько лет уровни мощности упадут до такой степени, что их недостаточно для запуска компьютеров и передатчика.
Избранным изображением является изображение Voyager, взятое из Юпитера, любезно предоставленное NASA.