Справочная: космическая обсерватория «Кеплер» — железо, связь с Землей, ПО и результаты работы



    В конце октября телескоп «Кеплер», который НАСА запустило в марте 2009 года, прекратил работу. Закончилось топливо, без него устройство работать не может — отсутствует возможность позиционирования в пространстве, а это необходимо для ведения наблюдений за космосом. О достижениях «Кеплера» много говорили на Хабре, поэтому я очень постараюсь не повторяться (ну, может, чуть-чуть). Вместо этого опишу то, что представляла собой космическая обсерватория в технологическом плане и каким софтом пользовалась команда «Кеплера» — в том числе, для обработки поступающих данных.

    Что это был за телескоп


    «Кеплер» — орбитальный телескоп со сверхчувствительным фотометром, который занимался поиском экзопланет. Одновременно «Кеплер» мог вести наблюдение примерно за 100 тыс. звезд. Задачей системы было наблюдение за определенной группой звезд в течение продолжительного времени. Чтобы достичь цели, инженеры разработали механизм, который бы удерживал «прицел» телескопа наведенным в определенную точку.


    Примерно такие маховики использовал «Кеплер»

    Важными элементами этого механизма были маховики, маховые колеса, помогавшие позиционировать всю конструкцию. Это были единственные подвижные части. Было и немного жидкости — топлива, которое использовали двигатели для изменения положения телескопа в пространстве.

    Технические характеристики:

    • диаметр 2,7 м, длина — около 4,7 м;
    • масса — 1052,4 кг, из них 478 кг — фотометр, космический аппарат — 562,7 кг, 11,7 кг — гидразиновое топливо;
    • солнечные батареи — общая площадь 10,2 м2. Состоят батареи из 2860 элементов, что позволяет генерировать мощность в 110 Вт. Накопление энергии велось при помощи литий-ионного аккумулятора емкостью 20 А*ч;
    • Твердотельный накопитель — 16 ГБ, в него помещался объем данных, собираемых за 60 дней, информация передавалась на Землю раз в месяц.

    Фотометр состоит из 42 ПЗС-матриц, обеспечивающих общее разрешение в 95 Мпикс. Конструкцией предусмотрено еще четыре дополнительные ПЗС-матрицы по углам массива — для обеспечения более точного управления. Размер каждой матрицы — 5 х 2,5 см, разрешение 2200 х 1024 пикселя.


    Вид «изнутри»

    Данные с матриц снимались каждые 6 секунд, по достижению предела насыщения, после чего суммировались в бортовом компьютере в течение полуминуты для каждого пикселя. «Кеплер» вел наблюдение в полосе пропускания 430–890 нм. Он мог «увидеть» звезды вплоть до 16-й звездной величины.

    Главное зеркало диаметром 1,4 метра изготовила компания Corning — той, что разрабатывает защитные стекла для экранов смартфонов. Ее технологии позволили добиться радикального снижения массы зеркала. В итоге она составила лишь 14% от массы зеркала того же размера, изготовленного из традиционных материалов.

    Для разных элементов рабочие температуры отличались. Так, корректор Шмидта, представлявший собой несферическую линзу спереди телескопа, работал при температуре около -30 °С. Главное зеркало, расположенное сзади, работало при -11 °С. ПЗС-матрица была в более сложных условиях — ей приходилось работать при температуре в -85 С, что нужно для снижения детекторных шумов. При закрытой противопылевой крышке во время калибровки температура компонентов была несколько выше этого минимума. Температура в открытом космосе вполне достаточна для того, чтобы не было необходимости использовать сжиженный газ для охлаждения устройства.

    Кто и как управлял «Кеплером»?


    Штаб управления аппаратом размещался в исследовательском кампусе Университета Колорадо Боулдерд. В команду управления входили специалисты из Лаборатории атмосферной и космической физики согласно договору Ball Aerospace & Technologies. Лаборатория составляла планы работ, собирала первичные данные и их же распространяла.

    Бюджет проекта изначально оценивался в $600 млн, включая создание, запуск аппарата и его эксплуатацию в течение 3,5 лет. В 2012 году НАСА сообщило, что проект будет финансироваться вплоть до 2016 года годовым бюджетом в $20 млн.

    Обмен данными «Кеплера» с Землей


    Обмен данными с телескопом шел по микроволновой связи (спектр частот от 7 до 11,2 ГГЦ) дважды в неделю. Ученые передавали команды и получали данные от устройства. Впрочем, научные данные загружались раз в месяц, также по микроволновому каналу, но уже со спектром 26.5–40 ГГЦ. Ширина канала связи не превышала 550 kB/s.



    Антенна аппарата была жестко зафиксирована, так что для связи с Землей приходилось изменять положение в пространстве всего орбитального телескопа. Часть данных анализировал бортовой компьютером, чтобы экономить на трафике, передавая сжатую информацию.

    Данные телеметрии, собираемые в ходе миссии, перенаправлялись в Центр управления данными проекта. Центр располагается в Институте исследований космоса с помощью космического телескопа. Это научный оперативный центр, основанный НАСА в 1981 году для управления и проведения исследований с использованием космического телескопа «Хаббл».


    В ходе сеансов связи для загрузки научных данных с «Кеплера» нужно было выполнять следующие операции:

    • Получить первичные пикселизированных данных пикселей из DMC (Kepler Data Management Center, Центр управления данными «Кеплера»);
    • Обработать первичные данные специализированными алгоритмами анализа для получения калиброванных пикселей и кривых блеска для каждой звезды;
    • Выполнить транзитный поиск (изменение блеска звезды при прохождении планеты по ее диску) для обнаружения планет (события пересечения порога или ТВК);
    • Выполнить проверку данных о планетах-кандидатах для устранения ложноположительных обнаружений.

    Какие были цели и задачи?


    Научная цель «Кеплера» состояла в изучении звездных систем, расположенных в пределах области «зрения» телескопа. При этом ставились следующие задачи:

    • Определить количество землеподобных планет, которые находятся в потенциально обитаемой зоне;
    • Вычислить диапазон размеров и форм орбит этих планет;
    • Оценить количество планет, которые находятся в мультизвездных системах;
    • Определить диапазон размеров орбиты, яркости, диаметра, массы и плотности короткопериодических планет-гигантов;
    • Обнаружить дополнительные объекты в каждой найденной планетной системе;
    • Изучение свойств звезд, у которых обнаружены планетные системы.

    Программные инструменты


    Для обработки данных, которые присылал на Землю «Кеплер» использовали вот такие программные инструменты:

    • Lightkurve — Lightkurve Python позволяет эффективно анализировать данные временных рядов астрономических потоков, в частности пикселей и световых кубов, полученных миссиями NASA Kepler, K2 и TESS. Ссылка.
    • PyKE — Набор инструментов командной строки для проверки данных и извлечения кривых звездного блеска. Ссылка.
    • K2fov — Набор инструментов командной строки для проверки файлов «целевого пикселя» и выделения скрытых световых кубов. Ссылка.
    • K2ephem — Проверяет, сможет ли движущееся тело Солнечной системы, астероид или комета, попасть в «поле зрения» системы. Ссылка.
    • K2flix — Преобразует файлы целевых пикселей в видео или анимированные gif-файлы для быстрой и легкой оценки таких пикселей. Ссылка.
    • K2mosaic — Преобразует файлы целевого пикселя в изображения с широким полем. Ссылка.
    • Kadenza — Преобразует первичные данные в FITS, удобные для астрономов. Ссылка.

    Представители сообщества разработчиков сделали некоторые инструменты доступными для всех. Есть и вспогательное ПО, которое достуно на страничке «Другое ПО». А на сайте НАСА можно ознакомиться с полным списком софта и целей, для которых он служит.

    Результаты работы — коротко


    Телескопу за несколько лет работы удалось обнаружить 2245 экзопланет и более 2000 потенциальных экзопланет — эти данные проверяют ученые.

    Фактически, телескоп передал на Землю столько информации, что для ее разбора и детального анализа понадобятся годы.

    «Кеплер" значительно расширил представления о звездных системах, их эволюции и многообразии. В частности, доказано существование землеподобных планет — ранее астрономы лишь могли строить предположения относительно характеристик планет.

    Что дальше?




    На смену телескопу «Кеплер» пришел TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite). Запуск произведен 18 апреля 2018 года ракетой Falcon 9 компании SpaceX. TESS изучает самые яркие звезды, которые находятся не дальше 300 световых лет от Земли. Цель — обнаружение каменистых экзопланет, которые попадают в обитаемую зону. Всего планируется обследовать около 500 тысяч звезд спектральных классов G, M, R ярче 12 величины. Кроме того, будут изучены 1000 ближайших красных карликов, которые разбросаны по всему звездному небу.
    Поделиться публикацией

    Комментарии 21

      +1
      А откуда вообще информация (из неисправленного последнего абцаза статьи), что TESS весной 2019 собирались запускать? Просто опечатка (18->19) в источнике?
        0
        Да, конечно. Спасибо.
        +1
        Честно говоря, под словом 'железо' надеялся узнать больше о бортовой (бортовых) ЭВМ — характеристики, процессоры, операционки, etc. Но и так неплохо тоже :)
          0
          Не понял, а какое топливо закончилось, если позиционирование в пространстве осуществлялось маховиками?
          Сейчас топлива нет, телескоп смотрит в одном направлении. Почему нельзя продолжать наблюдать за звёздами в этом направлении?
            +3
            У маховиков есть предел скорости до которой они могут раскрутиться. Когда они подходят к этой скорости их надо разгрузить другим двигателем.
            Как видно из статьи, антенна Кеплера для связи с Землей жестко зафиксирована, то есть с аппаратом все равно не получиться связаться и передать накопленные данные.
              0
              Спасибо большое.
                0

                Вот интересно, нельзя ли спроектировать маховики так, чтобы при наборе ими максимальной скорости аппарат совершал один полный оборот вокруг своей оси? А там уже разгрузка другими двигателями не нужна, поскольку можно повернуться на любой угол разгоняя или тормозя маховик.

                  +2
                  они ж импульс накапливают…
              0
              А что теперь будет с телескопом? Нигде не нашёл упоминания о запланированном сходе с орбиты и сгорании в атмосфере — он что, так и будет болтаться в Космосе — не пришей кобыле хвост?
                +3
                Он на гелиоцентрической орбите. Так что будет болтаться.
                What Will Happen to NASA’s Kepler Spacecraft?

                  0
                  Спасибо.
                0
                Интересно — насколько сложней становится конструкция, если закладывать возможность дозаправки на орбите в автоматическом режиме.Запустил ракету — она пристыковалась и перекачала топливо или даже заменила какие то электронные блоки, батареи аккумуляторов.
                C другой стороны старый научный спутник наверное настолько морально устарел что новый будет и дешевле и луче.
                  0
                  не особо сложнее — в том проекте, который был — фактически заменялись только крышки топливных клапанов с «глухих» на крышку со штуцером, в который встроен клапан.
                  но потом (как я понял) решили, что исчерпание топлива — это не единственная причина выхода из эксплуатации (моральное устаревание — тоже причина). и разговоры о дозаправщиках как-то плавно «сошли на нет».
                  с другой стороны, я уверен, что при наличии технологических возможностей полета — тот же Хаббл согласились бы восстановить еще раз.
                  0
                  Я только что придумал «вечный» гелиорбитальный телескоп, которому даже топливо не нужно будет. Даже маховики не нужны. Встречаем телескоп астероидного базирования из 2х компонент:
                  1. Модуля связи с землёй, ползающего по астероиду в поисках мест, где «ловит».
                  2. Собственно телескопа, которому для смены ориентации теперь достаточно энергии солнечных батарей.
                  Чтобы модулям ползалось легче, лучше высадиться на железный астероид — к нему можно будет примагнититься для лучшего сцепления.
                    0
                    Астероиды обычно вращаются, так что слежение будет неэффективным учитывая плохое сцепление с почвой и низкую гравитацию. Нужен будет массивный фундамент я думаю для уменьшения вибраций. Не знаю насколько магниты будут эффективными. Ещё не забываем про магнитную пыль которая так и наровит облепить аппарат со всех сторон. Будет куча проблем с температурной деформацией из за смены дня/ночи. Можно сесть на полюсе, но есть таки большой шанс со временем попасть в полярную ночь. Без света для солнечных батарей аппарат долго не протянет.
                      0

                      Я немного усовершенствую предыдущую конструкцию. Надо стационарный телескоп на Луну отправить. С защитным открывающимся куполом, как на земных обсерваториях. Это проще, чем с астероидами. Но по-моему, эту идею уже Nasa рассматривала и пришла к выводу, что дорого или еще рано.

                        0
                        Можно в кратер засунуть, в котором лёд и Солнце не заглядывает. Но у Луны 2 недостатка:
                        1. ненулевая гравитация, нужно будет как-то это учитывать в конструкции
                        2. обзор будет ограничен кратером и самой Луной
                      0
                      Осталось изобрести двигатель, которому для ползания не нужно топливо :)
                      А зачем вообще нужен астероид? Только мешает — сам вращается, то солнечные панели прикроет, да еще и ползать по нему надо, не то, что в космосе — повернулся и все.
                        0
                        двигатель, которому для ползания не нужно топливо
                        есть такая пагтия такой двигатель, называется электрический. А по вращению, всё просто — есть же полюса. Кстати, ползание можно упростить, если обмотать камушек канатом (заранее с орбиты) и ползать держась за него.
                        Вообще, смысл астероида в том, чтобы вращаться относительно него, а не в невесомости. То есть, масса астероида должна быть всего лишь раз в ~1000 больше массы телескопа — совсем крохотного будет достаточно.
                          0
                          С канатами нынче всё плохо. Практически все, если не ВСЕ, эксперименты с размоткой веревок различной днины и из разных материалов на низкой орбите Земли оканчивались неудачами. В половине случаев причины неизвстны. Канат то рвался, то запутывался, то лебедка застревала, то возникала электрическая корона которая расплавляла канат. Список можно продолжать.

                          en.m.wikipedia.org/wiki/Space_tether_missions
                      0
                      осталось кинуть клич, кто отправит к «Кеплеру» железного дровосека с дрелью, вкручивающимя заправочным штуцером и шар-баллоном с гидразином, Маск, это дело как раз для тебя:-)

                      Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                      Самое читаемое