24.07.2025, Эван Гоф, Universe Today

Миссия «Юноны» к Юпитеру столкнулась с множеством трудностей и препятствий. Газовый гигант находится далеко от Солнца, что ограничивает доступную солнечную энергию. Расстояние также затрудняет связь с космическим аппаратом. Добавьте к этому сложную окружающую среду: мощное гравитационное притяжение Юпитера и сложная орбитальная структура его четырёх галилеевых спутников создают постоянно меняющееся поле гравитационных взаимодействий.

Однако самым большим препятствием, вероятно, является интенсивное излучение Юпитера.

У Юпитера чрезвычайно мощные магнитные поля, которые захватывают заряженные частицы, создавая разрушительную среду для космических аппаратов и их чувствительной электроники. У «Юноны» есть титановый контейнер, в котором хранится самая ценная электроника, но, к сожалению, внутри контейнера не хватило места для всего. Поскольку камера JunoCam не входит в число основных научных инструментов миссии, она не прошла отбор. JunoCam — это оптическая камера, установленная на космическом аппарате. Она предназначена прежде всего для обычных людей, желающих увидеть то же, что видит аппарат, хотя также внесла свой вклад в науку.

После десятков оборотов и почти 10 лет на орбите Юпитера JunoCam испытывает на себе последствия воздействия радиации.

«Юнона» движется по широкой полярной орбите, что позволяет ей получать изображения всей поверхности Юпитера, пока планета движется под космическим аппаратом. По этой орбите аппарат проходит через радиационные пояса Юпитера, а затем выходит из них, чтобы передавать данные и вести наблюдения с большего расстояния. Таким образом, на каждом витке он проводит короткое время в опасном радиационном поле.

Компания Malin Space Science Systems построила JunoCam и была уверена, что он выдержит первые восемь витков «Юноны». Но после этого судьба прибора была неопределенной. Основная миссия «Юноны» продолжалась 34 витка, и всё это время JunoCam работала безупречно. Но со временем всё изменилось.

На 47-м витке камера обнаружила признаки радиационного повреждения. К 56-му витку почти все изображения JunoCam были повреждены. Изображения стали зернистыми и испещренными горизонтальными полосами.

Цифровые камеры построены на основе ПЗС (приборов с зарядовой связью). Они регистрируют фотоны и преобразуют их в электрические заряды, поэтому легко увидеть, как интенсивное радиационное поле может негативно на них влиять. Нежелательное излучение приводит к появлению нежелательных электрических сигналов, которые проявляются в виде полос, ярких пятен и шума, и со временем могут повредить кремниевую кристаллическую структуру ПЗС.

Поскольку камера JunoCam показывала признаки радиационного повреждения, вариантов продлить срок её службы на расстояния в 600 миллионов километров было немного. Однако появились подсказки относительно того, что именно повреждается. Оценив ситуацию, сотрудники миссии пришли к выводу, что причиной была неисправность регулятора напряжения в блоке питания камеры.

Не имея других вариантов, команда прибегла к тепловому воздействию.

Отжиг — распространённый процесс термической обработки в металлообработке, при котором материал нагревается выше температуры рекристаллизации, а затем охлаждается. Это делает металл более податливым к обработке. В JunoCam есть нагреватель, который поддерживает оптимальную рабочую температуру камеры в условиях холодного космоса. Инженеры решили, что отжиг камеры с помощью нагревателя — оптимальный вариант, хотя и не были уверены в его эффективности.

«Мы знали, что отжиг иногда может изменить свойства таких материалов, как кремний, на микроскопическом уровне, но не были уверены, что это устранит повреждения, - сказал инженер по визуализации JunoCam Джейкоб Шаффнер из Malin Space Science Systems. - Мы дали команду одному нагревателю JunoCam поднять температуру камеры до 25 градусов Цельсия — это гораздо выше обычной температуры для JunoCam, — и, затаив дыхание, ждали результатов».

Лихой подход сработал. Работоспособность JunoCam была восстановлена, и в течение следующих нескольких витков она передавала кристально чёткие изображения, к которым мы все привыкли.

Но миссия была спроектирована так, чтобы «Юнона» постепенно приближалась к Юпитеру на более поздних орбитах, а это означало повышенное воздействие радиации. Проблемы с изображениями снова возникли когда космический аппарат был на пути к сближению с вулканическим спутником Юпитера Ио. Это была прекрасная возможность для получения изображений и проведения научных исследований, которую никто не хотел упускать.

«После 55-го витка наши изображения были полны полос и шума, — сказал Майкл Рэвин, руководитель отдела инструментов JunoCam из Malin Space Science Systems. — Мы пробовали разные схемы обработки изображений, чтобы улучшить качество, но ничего не помогало. Учитывая, что через несколько недель мы приближались к Ио, это был последний шанс: единственное, что мы не попробовали, — это включить нагреватель JunoCam на полную мощность и посмотреть, спасёт ли нас более интенсивный отжиг».

Поначалу тестовые снимки не показали существенного улучшения качества, и ухудшение характеристик камеры перед предстоящим пролётом Ио вызывало беспокойство. Это была бы упущенная возможность, поскольку в ближайшем будущем другой возможности получить изображение Ио с такого близкого расстояния не предвиделось.

Затем, когда до сближения с Ио оставалось всего несколько дней, качество изображений улучшилось. 30 декабря 2023 года «Юнона» приблизилась к Ио на расстояние 1500 км (930 миль). Камера JunoCam передала чёткие и ясные изображения северного полярного региона Ио.

К настоящему моменту «Юнона» совершила 74 оборота вокруг Юпитера, что вдвое больше запланированных 37. Однако теперь снова возникают проблемы с изображениями, полученными с помощью «Юноны». Команда «Юноны» экспериментирует с дополнительным отжигом, надеясь на успех.

Это стало ценной и уникальной возможностью обучения для персонала миссии «Юнона». Команда «Юноны» использовала процесс отжига на некоторых других приборах космического корабля в рамках более широкой стратегии по поддержанию работоспособности космического корабля в условиях интенсивной радиации Юпитера. В будущем приборы могут быть разработаны специально для проведения отжига при необходимости.

«Juno учит нас, как создавать и поддерживать космические аппараты, устойчивые к радиации, предоставляя знания, которые будут полезны для спутников на орбите Земли, — сказал Скотт Болтон, главный исследователь проекта Juno из Юго-Западного исследовательского института в Сан-Антонио. — Я ожидаю, что опыт, полученный в ходе проекта Juno, будет применим как к оборонным, так и к коммерческим спутникам, а также к другим миссиям NASA».

Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti)

Оригинал: NASA's Junocam Heals Its Radiation Damage