«Техника-молодежи» 2004 г №8, с.8-39

Через 45 лет после рождения идеи Gravity Probe-В выведен на орбиту 20 апреля 2004 г. со стартового комплекса SLC-2W на авиабазе Ванденберг (Калифорния, США) был запущен спутник Gravity Probe-В для опытной проверки предсказаний общей теории относительности Альберта Эйнштейна.

Gravity Probe-B (GP-B, «Гравитационный зонд-В») должен измерить два весьма тонких эффекта, вытекающих из общей теории относительности, — искривление пространства-времени вблизи массивного тела (Земли) и увлечение пространства-времени вращающимся массивным телом (Землей). Первый эффект («геодезический») должен вызывать смещение оси гироскопа за один год на 6,6144 угловой секунды в направлении движения КА по орбите, второй («гравитомагнитный») — на 0,0409 угловой секунды в перпендикулярном направлении, в сторону вращения Земли.

М

ожно ли увидеть «воочию» кривизну пространства-времени, постулированную Альбертом Эйнштейном в 1916 г., или «увлечение» пространства-времени вращающейся массой, которое в 1918 г. предсказали австрийские физики Й. Ленсе и X. Тирринг и которое — если бы его было легко наблюдать — мы бы воспринимали как новую гравитомагнитную силу?

Не найти другого космического проекта, который бы потребовал столько лет для своей реализации. От рождения ОТО до встречи в Стэнфорде прошло 43 года, а от встречи и до запуска GP-B — 45 лет!

К 1980 г. эксперты NASA заключили, что необходимые для орбитального эксперимента Gravity Probe-B технологии созданы. Однако только в 1993 г. проект GP-B перешел в фазу детального проектирования и изготовления.

В начале 1995 г. была предпринята седьмая, и последняя, попытка остановить работы под предлогом нехватки средств на реализацию научных проектов NASA. Однако Национальный исследовательский совет США и Конгресс поддержали его. Финансирование на очередной год было выделено и назначена дата запуска: март 2000 г...

Gravity Probe-B — это обращающийся по полярной орбите с наклонением ровно 90° аппарат, конструкцией которого предусмотрена в максимально возможной степени компенсация всех гравитационных, атмосферных и магнитных возмущений, воздействующих на научную аппаратуру. Стартовая масса — 3100 кг, его длина — 6,43 м и диаметр — 2,64 м.

Главная и самая заметная часть аппарата — сосуд Дьюара (термос), в который заливается 2441 л жидкого гелия с температурой 1,8 К. Диаметр его тоже 2,64 м, длина — 2,74 м. Внутри находятся четыре гироскопа и измерительные устройства.

В «сборку научного инструмента» входят кварцевый блок с гироскопами и регистрирующей аппаратурой и соединенный с ним посредством специальной запатентованной процедуры телескоп для постоянной ориентации КА на опорную звезду. Вся сборка размещается в центре масс термоса вдоль его оси в вакуумированном объеме, который называется «зонд». Крионасос поддерживает в нем давление в 10 раз ниже, чем в среде вокруг спутника. Зонд окружен сверхпроводящим свинцовым экраном, непроницаемым для электромагнитных помех. Зонд и его содержимое собирались в помещении ультравысокого класса чистоты 10!

Устройство спутника: 1 — звездный датчик; 2 — антенна системы GPS; 3 — сопло; 4 — бленда; 5 — всенаправленная антенна; 6 — механизм фиксации СБ; 7 — приборная панель; 8 — звездный датчик и навигационный гироскоп; 9 — механизм балансировки; 10 — блок подвески гироскопов

Кассегреновский телескоп-рефлектор, выполненный из гомогенного плавленого кварца, имеет поле зрения около 1°. Длинная бленда с несколькими черными металлическими диафрагмами защищает его от постороннего света от Солнца, Земли и планет.

Четыре шаровых гироскопа размещаются в кварцевом блоке длиной 533 мм в специальных отсеках с антимагнитной защитой. Сердцем каждого гироскопа является сферический ротор диаметром 38,1 мм из гомогенного плавленого кварца, выращенного в Бразилии и обработанного в Германии, с чистотой две части примесей на миллион и с отклонением формы от сферической не более чем в 8 нм, или 40 атомных слоев. Если мысленно увеличить ротор до размера Земли, его «холмы» были бы не выше 2,5 м! Шар покрыт равномерным слоем сверхпроводящего ниобия толщиной 1270 нм. Он подвешен электрически, на шести электродах, с зазором до сферических кварцевых стенок всего в 25 мкм. До рабочей скорости вращения — от 5000 до 10000 об/мин — ротор раскручивается потоком сверхчистого гелия. Первоначально оси вращения гироскопов совмещаются с осью телескопа с ошибкой не более 10˝, а собственный уход оси вращения составляет не более 10-11 ˝/ч, или 10^-7 °/год.

Специально разработанные магнитометры — сверхпроводящие квантовые интерференционные приборы — жестко связаны с телескопом. Они измеряют так называемый магнитный момент Лондона, возникающий при вращении сверхпроводящего ниобиевого слоя, и способны обнаружить изменение ориентации оси вращения «своего» гироскопа всего на 0.0001˝!

Снаружи дьюара располагаются служебные системы КА. Четыре солнечные батареи дают 606 Вт, из которых 293 Вт потребляет служебный борт и 313 Вт — полезная нагрузка. В систему электропитания входят две аккумуляторные батареи емкостью по 35 А-час. Имеются системы связи, управления и обработки данных (с несколькими всенаправленными антеннами, в т.ч. для ретрансляции через спутник связи) и чрезвычайно сложная система ориентации, стабилизации и направленного перемещения КА. К ней предъявлялись особые требования.

Во-первых, аппарат должен сориентироваться изначально и все время сохранять постоянную ориентацию в пространстве. Первая задача решается с помощью двух звездных датчиков, вторая — вращением КА со скоростью 0.3-1.0 об/мин. Имеется механизм вращательной балансировки с семью перемещаемыми массами. Положение оси вращения отслеживает бортовой телескоп, причем направление оси GP-B отклоняется от опорной звезды не более чем на 0,020˝.

В качестве опорной звезды была выбрана IM Пегаса (HR 8703) — на вид обычная звездочка, расположенная в 300 св. годах от Солнца. Так как она, во-первых, является радиоисточником, а во-вторых, расположена вблизи квазара, собственное движение опорной звезды может быть тщательно измерено межконтинентальным радиоинтерферометром VLBI и учтено.

Датой, моментом и циклограммой запуска КА задается правильная ориентация орбиты в пространстве, при которой IM Пегаса лежит в плоскости орбиты спутника приблизительно в направлении нисходящего узла

Во-вторых, нужно было полностью устранить негравитационные возмущения, и в первую очередь — сопротивление атмосферы, которая на высоте 640 км еще вполне ощутима, и давление солнечного света. Задача решена красиво. На GP-B установили восемь пар противонаправленных сопел, через которые можно сбрасывать все равно испаряющийся гелий. Тяга такого сопла — порядка 1 гс, но ведь и работает оно сколь угодно долгое время!

Состав полезной нагрузки Gravity Probe-B

Один из четырех гироскопов находится в центре масс КА и считается «пробной массой». Его ротор должен всегда находиться в центре своего подвеса. Задача системы ориентации — реагировать на малейшую попытку стенок приблизиться к ротору, вызванную действием внешних сил на КА. Таким образом, ротор гироскопа движется исключительно под действием гравитационного поля, а вместе с ним «танцует» и весь спутник!

Текущее положение КА на орбите с точностью до 1 см определяется с помощью навигационной системы GPS, для чего он оснащен соответствующими антеннами, а также с использованием отдельного навигационного гироскопа.

Аппаратура GP-B позволит измерить геодезический эффект с погрешностью 0.01% или лучше и гравитомагнитный эффект с погрешностью 1%.

GP-B на орбите
К 23 апреля были проверены системы управления и связи. К 28 апреля аппарат скорректировал орбиту, причем ошибка по наклонению оказалась в шесть раз ниже допуска.

Работа КА рассчитана на 18 месяцев, из которых первые 40-60 сут. уйдут на коррекцию орбиты выведения и ввод в рабочий режим. Научные измерения продлятся 13-15 месяцев и будут прекращены за 1-2 месяца до исчерпания запаса гелия.

Каков бы ни был результат работы GP-B, он станет крупным шагом в науке — или триумфом ОТО, или теоретикам придется вновь разбираться с фундаментальными понятиями физики.

По материалам NASA,
Стэнфордского университета
и Lockheed Martin