Спутник ФКИ. Gravity Probe B. [Редактировать]

Gravity Probe B (GP-B) — американская космическая миссия по измерению чрезвычайно слабых эффектов геодезической прецессии гироскопов на орбите вокруг Земли и увлечения инерциальных систем отсчёта вращением Земли, которые предсказывает общая теория относительности Эйнштейна. Разработкой дьюара, контейнера научной аппаратуры и электронного оборудования для GP-B занимался отдел новых технологий компании «Lockheed Martin». Для изготовления самого космического аппарата Стенфордским университетом была выбрана компания «Lockheed Martin Missiles & Space», Саннивейл.
Спутник был запущен 20 апреля 2004 года, сбор данных начат в августе 2004. На орбите спутник отработал в целом 17 месяцев и завершил свою миссию 3 октября 2005 года. Обработка полученных данных велась до мая 2011 года и подтвердила существование и величину эффектов геодезической прецессии и увлечения инерциальных систем отсчёта, хотя и с точностью, несколько меньшей изначально предполагавшейся.
Спутник Gravity Probe B нёс на борту самые точные на тот день гироскопы в мире. Точность измерений положения оси позволяет обнаружить два эффекта, предсказываемые общей теорией относительности:

  • геодезическую прецессию, возникающую вследствие искривления пространства-времени.
  • прецессию за счёт увлечения инерциальной системы координат вблизи вращающегося массивного тела (Земли).

Геодезическая прецессия возникает из-за искривления пространства-времени Землёй. В искривленном пространстве, если обнести вектор по замкнутому контуру, он не возвратится в исходное положение, а изменит направление на некоторый угол (см. параллельное перенесение). В данном случае роль вектора выполняет спин гироскопа, а орбита спутника выступает в качестве замкнутого контура. Для параметров GP-B, по расчётам, суммарный угол отклонения должен равняться 6,6 угловых секунд в год. Отклонение спина должно наблюдаться в плоскости орбиты спутника.
Прецессия второго типа на два порядка слабее и возникает из-за увлечения пространства вращением Земли. Если поместить горизотнально вращающийся гироскоп на полюсе Земли, он начнёт очень медленную прецессию в направлении вращения Земли (против часовой стрелки на северном полюсе). Интересно, что на экваторе должна наблюдаться обратная картина: пространство ближе к Земле увлекается больше, и прецессия должна происходить в другую сторону, по часовой стрелке, если смотреть со стороны северного полюса. Для GP-B прецессия из-за увлечения инерциальной системы отсчёта должна составить примерно 0,014 угловых секунд в год.
Идея эксперимента достаточно проста. Система из четырёх гироскопов жёстко закрепляется на главный телескоп спутника, телескоп наводится на ведущую звезду и поддерживается в строго фиксированном направлении в течение всего полёта. Вначале гироскопы раскручиваются так, чтобы их оси совпадали с осью главного телескопа. После этого микроскопическое смещение осей можно будет измерить с помощью SQUID (сверхпроводящее квантовое интерференционное устройство). Измеренное таким образом смещение осей гироскопов будет только за счёт ожидаемых эффектов — геодезической прецессии и увлечения инерциальной системы координат.
Спутник движется по свободной от сноса орбите. Это означает, что орбита спутника постоянно (с частотой 10 раз в секунду) корректируется по движению центра масс одного из гироскопов, который, как и три остальных, защищён от всех внешних воздействий (атмосфера, магнитное поле Земли, давление солнечного света и т. д.), кроме взаимодействия с гравитационным полем. Координаты спутника регистрируются с помощью системы GPS. Гироскопы вращаются с угловой скоростью около 4000 оборотов в минуту. Они подвешены электростатически на расстоянии долей миллиметра от стенок полости. Чтобы избежать контакта гироскопа со стенками, позиция полости относительно гироскопа корректируется 220 раз в секунду.
Роторы гироскопов GP-B изготовлены настолько совершенными, что можно исключить из рассмотрения вероятность прецессии из-за механических дефектов или электрических сил. Прибор способен зафиксировать смещение осей вплоть до 0,5 миллисекунд угловой дуги в год. Для сравнения, этот угол будет примерно равен углу, под которым виден человеческий волос с расстояния 32 км. Согласно ньютоновской механике, совершенный сферический гироскоп в отсутствие внешних сил не испытывает прецессии, то есть если вначале его ось была направлена на определённую звезду, она будет оставаться в таком положении всегда. В 1960 году доктор Леонард Шифф из Стенфордского университета на основании уравнений Эйнштейна и уравнений движения частицы со спином, выведенных Папапетру (уравнения Папапетру-Диксона (англ.)), вычислил величину прецессии осей гироскопов и предложил произвести эксперимент, либо в лаборатории на Земле, либо в космосе. Из его расчётов следовало, что эффект в лаборатории будет на несколько порядков меньше, поэтому орбитальный эксперимент более предпочтителен.
Основная научная аппаратура спутника:

  • Основные приборы — корпус гироскопа, телескоп и несущие конструкции — изготовлены из кварцевого стекла. Кварц практически не подвержен тепловому расширению в широком диапазоне температур — расширяется и сжимается очень мало и очень однородно. Кварцевые детали были изготовлены компанией Speedring из города Куллман, штат Алабама.
  • Главный телескоп имеет апертуру 14 см и направлен на двойную звезду IM Пегаса (HR 8703).
  • Техники центра Маршалла (Marshall Space Flight Center) создали совершенное полировочное оборудование, позволившее им выточить самые сферические объекты из когда-либо изготовленных человеком — роторы гироскопов спутника. Шероховатость поверхности сфер составляет всего несколько десятков атомных слоёв — если увеличить их до размера Земли, самая высокая гора или самая глубокая впадина будет всего 2,4 метра в высоту.
  • Инженеры в Стенфорде разработали технологию нанесения тонкой (всего несколько нанометров в толщину) сверхпроводящей ниобиевой плёнки на поверхность сферы.
  • Основное измерительное оборудование GP-B помещено в сигарообразную 2,7-метровую криогенную ёмкость, окружённую слоем сверхпроводящей свинцовой фольги для защиты от внешних магнитных полей. Эта ёмкость, в свою очередь, вместе со сверхпроводящей оболочкой, помещена в сосуд Дьюара, в момент запуска содержавший 2441 л жидкого гелия. Для поддержания ниобиевой плёнки в сверхпроводящем состоянии необходимо поддерживать криогенную температуру 1,8 К.
  • Направление оси вращения гироскопа детектируется по магнитному моменту (Лондоновскому моменту), который генерирует вращающийся сверхпроводник. Детекторами поля служат квантовые интерферометры (СКВИДы) с чувствительностью, позволяющей измерять магнитное поле на 10 порядков более слабое, чем поле Земли.
  • Сверхтекучий гелий в сосуде Дьюара спутника служит не только для поддержки криогенной среды, но и как рабочее тело реактивных микродвигателей для манёвров при точной наводке телескопа.
  • Более 400 электрических проводов, а также звёздный свет, который попадает в криогенную среду, нагревают сосуд Дьюара. Из-за этого тепла жидкий гелий потихоньку выкипает. Поэтому специалисты Стенфорда изобрели специальную «пористую пробку», которая отводит выкипевший газообразный гелий из сосуда Дьюара, оставляя только жидкий гелий и поддерживая необходимую криогенную температуру.
  • Газообразный гелий пропускается через несколько внешних охлаждающих слоёв сосуда Дьюара, а затем выбрасывается в космос одним из восьми микродвигателей на борту спутника. На основании данных телескопа и положения гироскопов, выходящий гелий аккуратно дозируется таким образом, чтобы поддерживать один из четырёх гироскопов строго в центре масс всей системы.

Дополнительные наименования

#НаименованияПоиск в новостяхПоиск в документах
128230НайтиНайти
22004-014AНайтиНайти

Дополнительная классификация

#Наименования
1Тип орбиты - НОО
2Страна оператор(владелец) - США
3Страна производитель - США
4Тип оператора(владельца) - государственный

Новостная лента[Найти информацию в новостях] [Найти информацию в документах]

#Новостная лента.
12005-01-21. Получены отказы от быстрых протоновТэги: Gravity Probe B

Технические характеристики

#ХарактеристикаЗначение
1Масса КА, кг3100
2Габариты, метра6.4x6.2
3Мощность, Вт606
4Мощность (платформа), Вт293
5Мощность (полезная нагрузки), Вт313

Характеристики орбиты

#ХарактеристикаЗначение
1Наклонение, градусов90
2Период, минут97.6
3Апоцентр, км645
4Дата окончания работы2010-12-08
5Перицентр, км641

Пусковые характеристики

#ХарактеристикаЗначение
1Космодром База Ванденберг
2Средство выведения 1x*Delta 2 (7920, 7925)
3Дата пуска2004-04-20
4Код NSSDC2004-014A

Экономические характеристики

#ХарактеристикаДата измеренияЗначение
1Разработчик Lockheed Martin
2Прогнозируемая стоимость (разработки), млн. долл.2000-04-01615
3Прогнозируемая стоимость (разработки), млн. долл.2001-04-01631
4Прогнозируемая стоимость (разработки), млн. долл.2002-04-01667
5Прогнозируемая стоимость (разработки), млн. долл.2003-01-01709.3
6Прогнозируемая стоимость (проекта), млн. долл.2003-01-01734.9

Информация об удачном запуске

#ХарактеристикаЗначение
1Дата пуска2004-04-20 at 16:57:26 UTC
2Полезная нагрузка 1xGravity Probe B
3Ракета-носитель 1xДельта 2