Квант-1

У этого термина существуют и другие значения, см. Квант (значения).

Модуль космической станции МИР-КВАНТ
Организация:	Советская космическая программа
Главные подрядчики:	НПО Машиностроения, НПО "Электроприбор" (разработка системы управления)
Другие названия:	Астрофизическая обсерватория РЕНТГЕН
Волновой диапазон:	Рентгеновские и гамма лучи
NSSDC ID:	1987-030A
Местонахождение:	Орбитальная станция МИР
Тип орбиты:	низкая
Высота орбиты:	390 км
Период обращения:	89,8 минут
Запущен:	31 марта 1987
Запущен из:	Байконур
Выведен на орбиту:	Протон-К
Снят с орбиты:	23 марта 2001
Масса:	11 тонн (22,8 тонн с функционально-служебным блоком)
TTM:	рентгеновский телескоп
ГЕКСЕ(HEXE):	рентгеновский спектрометр
Sirene 2:	рентгеновский спектрометр
Пульсар X-1:	спектрометр гамма диапазона

КВАНТ-1 (English: Quantum-I/1) (37КЭ) второй модуль советской орбитальной космической станции «Мир». Первый модуль, пристыкованный к базовому блоку станции. На борту модуля находились инструменты для проведения астрофизических наблюдений (обсерватория РЕНТГЕН), а также исследований в области материаловедения и биологии.

• Масса 11 050 кг.
• Длина 5,8 м.
• Максимальный диаметр 4,15 м.
• Объём, находящийся под атмосферным давлением, 40 м³.

История

Модуль КВАНТ был первой экспериментальной версией модулей типа '37K' с возвращаемым аппаратом ТКС (Транспортный корабль снабжения), изначально планировалось пристыковать его к орбитальной станции «Салют-7». Разработка аппарата была начата 19 сентября 1979. Система управления модулем разработана харьковским НПО «Электроприбор».

Изначально планировалось создание восьми аппаратов 37К

• Один экспериментальный 37КЭ (с использованием функционально-грузового блока (ФГБ) от транспортного корабля снабжения, разработанного в НПО Машиностроения, в качестве двигателя) для простыкования к станции Салют-7.
• Четыре модуля 37КС для станции «Мир». Эти модули планировалось доставить до станции и пристыковать при помощи нового, более легкого ФГБ
• Три модуля 37КБ планировалось доставить в грузовом отсеке орбитального многоразового корабля Буран . Эти модули могли остаться пристыкованными к Бурану, либо могли быть пристыкованы к станции «Мир» или «Мир-2» манипулятором Бурана.

Модуль Квант-1 с функционально-грузовым блоком

Модуль Квант-1

Аппарат 37КЭ получил название КВАНТ и был оборудован инструментами для астрофизических исследований. На аппарате использовались система управления от станции Салют-5Б и система ориентации на гиродинах, разработанная для орбитальной станции Алмаз. Доработку модуля не успели завершить к концу существования орбитальной станции «Салют-7», поэтому его решили пристыковать к станции «Мир». Однако к тому времени планировалось, что орбита станции Мир будет иметь наклонение 65 градусов, и ракета-носитель «Протон», планировавшаяся для запуска Кванта, не могла доставить тяжелый аппарат на такую орбиту. В январе 1985 года угол наклонения орбиты «Мира» был изменен на 51.6 градусов, что позволяло доставить «Квант» к станции ракетой «Протон». Однако теперь планировалось, что Квант будет пристыкован к заднему стыковочному порту Мира, что потребовало дополнительных кабелей для перекачки ракетного топлива от грузового корабля Прогресс на станцию. Это в очередной раз увеличило взлетный вес Кванта, что привело к необходимости уменьшить запас топлива на функционально-грузовом блоке. Несмотря на это взлетный вес Кванта составил 22,8 тонн и таким образом Квант являлся самой тяжелой полезной нагрузкой, когда либо запущенной при помощи ракеты-носителя Протон (Шаттл выводил максимальный груз равный 22 753 кг — AXAF/Чандра).

Запуск и стыковка

Квант-1, пристыкованный к станции Мир. К модулю Квант пристыкован грузовой корабль Прогресс

«Квант-1» и его функцонально-грузовой блок был запущен 31 марта 1987 года. Во время запуска космический корабль Союз ТМ-2 уже был пристыкован к станции. 2 и 5 апреля функционально-грузовой блок провел основные маневры по пристыковке к станции «Мир». Первая попытка стыковки была неудачной — приблизительно на расстоянии 200 м от станции система стыковки «Игла» потеряла пеленг и модуль прошел в 10 метрах от станции. Модуль Квант и функционально-грузовой блок продрейфовали 400 км перед тем, как двигатели ФГБ были использованы для его возвращения. Вторая попытка первичной стыковки была успешно завершена 9 апреля 1987 года. Однако окончательная стыковка модуля не удавалась. В такой конфигурации невозможно было проводить корректировку ориентации станции под угрозой её повреждения. Для прояснения ситуации 11 апреля экипаж станции совершил выход в открытый космос. Оказалось, что окончательной жесткой стыковке мешал станционный мусор, находившийся рядом со стыковочным блоком. После того, как мусор был убран, «Квант-1» был окончательно пристыкован к станции^[1] ФГБ после отстыковки от Кванта (12 апреля) был возвращен на Землю.

Схема модуля Квант

Инструменты

Модель модуля Квант-1 в зале космонавтики Пензенского планетария

Модуль Квант состоял из двух отсеков, пригодных для работы экипажа, и одного аппаратного отсека. В комплекс научной аппаратуры модуля входила так называемая астрофизическая обсерватория РЕНТГЕН. В состав этой обсерватории входили:

TTM

Телескоп с теневой маской (ТТМ), английский вариант названия COMIS/Coded Mask Imaging Spectrometer, — широкоугольная камера, использующая в качестве входной апертуры кодирующую маску для определения положения источников. Телескоп ТТМ был разработан в сотрудничестве с Лабораторией Космических Исследований в Утрехте (Нидерланды) и Школой Физики и Космических Исследований Бирмингемского Университета (Великобритания). Телескоп ТТМ являлся первым в мире орбитальным рентгеновским телескопом, использовавшим принцип кодирующей аппертуры для построения изображений. Поле зрения телескопа — 15х15 градусов, угловое разрешение около 2 угл минут. Рабочий диапазон телескопа 2-30 кэВ, энергетическое разрешение, определяемое свойствами позиционно чувствительного пропорционального счетчика, использовавшегося для регистрации фотонов, около 20 % на энергии 6 кэВ. Детектор был заполнен смесью ксенона (95 %) и углекислого газа (5 %) под давлением в 1 атм. Рабочая площадь детектора составляла 540  см²

HEXE

Спектрометр HEXE являлся разработкой Института внеземной физики общества им. Макса Планка. Спектрометр состоял из четырёх детекторов NaI(Tl) и CsI(Tl) и работающих по принципу «фосвич». Поле зрения инструмента ограничивалось коллиматорами размером 1.5х1.5 градуса (ширина на полувысоте). Каждый из 4 идентичных детекторов HEXTE имел эффективную площадь около 200 квадратных сантиметров. Рабочий диапазон энергий инструмента 15-200 кэВ. В этом спектральном диапазоне большую важность имеет возможность максимально надежно учесть вклад инструментального фона, что делалось при помощи принципа «качающегося» коллиматора. Детекторы инструмента некоторое время смотрели на источник, после чего в течение нескольких минут отворачивались на 2.5 градуса и смотрели на «чистое» небо, что фактически означало измерение инструментального фона детектора. В качестве пассивной защиты с боковых и задней стороны инструмента использовались покрытия из свинца, олова и меди.

Siren2

Газовый сцинцилляционный пропорциональный спектрометр, разработанный в ЕКА, предназначался для получения спектров с энергетическим разрешением значительно превышающих таковое у газового счетчика телескопа ТТМ. Поле зрения инструмента ограничивалось коллиматором размером 3 градуса. Рабочий энергетический диапазон 2-100 кэВ. Эффективная площадь около 300 кв.см. Стабильность энергетической шкалы обеспечивалась слежением за набором калибровочных эмиссионных линий. К сожалению, практически в самом начале работы обсерватории инструмент вышел из строя.

Пульсар Х-1

Комплекс «Пульсар Х-1» состоял из двух спектрометров «Спектр» и «Ира». Спектрометр «Спектр» представлял собой комплекс из 4 идентичных детекторов (эффективной площадью 314 кв.см) изготовленных из кристалла NaI с регистрирующими фотоумножителями, окруженный активной антисовпадательной защитой из CsI. Рабочий диапазон энергий спектрометра 20-800 кэВ. Поле зрения было ограничено коллиматором размером 3х3 градуса. Спектрометр «Ира» предназначался для регистрации гамма всплесков. Регистрирующая часть была полностью идентична спектрометру «Спектр» за исключением того, чтпо его поле зрения не было ограничено коллиматором,

Глазар

Ультрафиолетовый телескоп «Глазар», разработанный в Специальном конструкторском бюро «Гранит» (Армения) в сотрудничестве с Бюраканской Астрофизической обсерваторией, был предназначен для сканирования неба на длине волны 1600 ангстрем с целью поиска галактик и квазаров (комбинация этих двух слов отражена в названии телескопа), имеющих избыток в ультрафиолетовом диапазоне. Обнаруженные объекты планировалось затем более подробно исследовать другими инструментами. В дополнение ожидалось, что телескоп измерит ультрафиолетовый поток ряда известных источников в нашей Галактике и за её пределами. Телескоп был построен по схеме Ричи-Кретьена и имел поле зрения диметром 1.3 градуса, угловое разрешение около 20 угл секунд. Фокусное расстояние телескопа 1.7 м, диаметр главного зеркала — 40 см. Микроканальная пластина, размещеная в фокальной плоскости телескопа, смещала изображение из ультрафиолетового в видимый диапазон, где оно фиксировалось на обычную фотопленку (Кодак 103а-G). Две коррекционные линзы из флуорида лития, катод из иодида цезия, окно катода из йодида магния и интерференционный фильтр из фуорида кальция ограничивали пропускание оптической системы телескопа диапазоном длин волн шириной 250 ангстрем вокруг длины волны 1640 ангстрем. Телескоп был установлен на платформу на внешней стороне модуля Квант. Пара звездных датчиков телескопа использовалась для фиксации его поля зрения в двух осях, ещё пара звездных датчиков, наклоненные по 41 и 45 градусов по отношению к оптической оси телескопа служили для предотвращения его вращения вокруг оси. Наблюдения проводились во время, когда станция МИР находилась в тени Земли, типично длина таких наблюдений 20-30 минут. Телескоп мог работать как в автоматическом режиме, так и в режиме ручного управления. После того, как кассета с пленкой заканчивалась космонавты заменяли её новой, используя паредаточную камеру. Каждая кассета содержала около 8 м пленки, даюших возможность сделать более 150 фотографий. Тестовые наблюдения телескопа были проведены в июне-июле 1987 года. Наблюдения показали, что чувствительность телескопа меньше, чем ожидалось, в результате чего обзоры всего неба не проводились. Основной модой работы телескопа были наблюдения скоплений OB звезд.

В 1990 году телескоп был дополнен ультрафиолетовым телескопом «Глазар-2»[6]

Светлана

Инструменты для биологических исследований

Квант имел шесть гиродинов, которые могли использоваться для переориентации станции без использования двигателей коррекции. Квант содержал также некоторые системы жизнеобеспечения космонавтов, такие как генератор кислорода и аппаратура для удаления углекислого газа из воздуха станции. На Кванте была доставлена дополнительная солнечная батарея, которая впоследствии (в июне 1987) была установлена на основном модуле станции.

Дальнейшие модификации

В конце 1987 года обнаружились проблемы с телескопом ТТМ. Детектор телескопа время от времени отключался, стал выходить из строя генератор высокого напряжения детектора. По просьбе советских, датских и британских ученых было решено провести ремонт телескопа силами орбитальной команды. В конце июня 1988 года запасной детектор был доставлен на станцию. Во второй половине 1988 года детектор телескопа ТТМ был заменен на новый в ходе двух выходов в космос орбитальной команды. В первом выходе космонавтов (30 июня) заменить детектор не удалось ввиду сложности удаления креплений телескопа. Повторный выход в космос для замены детектора был произведен 20 октября 1988. Во время этого выхода впервые был использован скафандр Орлан-ДМА.

В январе 1991 на модуль Квант была установлена поддерживающая конструкция, изначально предназначенная для крепления солнечных батарей. В июле 1991 года экипаж станции в результате четырёх выходов в космос установил ферму Софора, которая предназначалась для установки дополнительного двигателя коррекции, а также для приборов вне корпуса станции. Для улучшения управляемости орбитальной станции двигатель коррекции (доставленный грузовым кораблем Прогресс М-14) был установлен на ферму Софора в сентябре 1992 года. В сентябре 1993 года на модуль Квант была установлена ферма Рапана. Работы по установке фермы были экспериментальными с целью протестировать возможные работы на планировавшейся станции «Мир-2». В дальнейшем на ферму Рапана устанавливались различные инструменты. 22 мая 1995 года на «Квант» была переустановлена одна из панелей солнечных батарей модуля «Кристалл». В мае 1996 года на Квант была установлена дополнительная солнечная батарея, доставленная со стыковочным модулем станции «Мир». В июне 1996 была удлинена ферма Рапана . В ноябре 1997 года старые панели солнечных батарей, поставленные на Квант с модуля Кристалл были убраны и на их место поставлен новый комплекс солнечных панелей. В апреле 1998 года старый двигатель коррекции, стоявший на ферме Софора был заменен на новый.

Основные научные результаты

Среди важнейших научных открытий и достижений, полученных при помощи наблюдений на модуле Квант следует отметить:

Спектр излучения в разные периоды вспышки рентгеновской Новой (аккрецирующей чёрной дыры) в созвездии Лебедя 1989 года. Получены измерения потока излучения черных дыр на самых высоких на тот момент энергиях (до ~300 кэВ)^[2]

• Открытие жёсткого рентгеновского излучения от сверхновой SN1987а. Первые и единственные до настоящего времени широполосные (~1-1000 кэВ) спектры излучения сверхновой SN1987а^[3]

Спектр излучения рентгеновской Новой в созвездии Лисички 1988 года.^[4]

• Впервые обнаружено жёсткое рентгеновское/гамма излучение рентгеновских Новых, простирающееся до энергий выше 200—300 кэВ, что позволило указать на влияние нетепловых процессов на формирование по крайней мере части излучения аккрецирующих чёрных дыр^[2][4]

• Получены широкополосные спектры ряда интереснейших рентгеновских Новых^[5], пульсаров^[6]
• Изображения области центра Галактики в широком диапазоне энергий^[7].
• Открытие ряда аккрецирующих нейтронных звёзд и чёрных дыр. Ввиду того, что инструменты обсерватории РЕНТГЕН работали только малую долю времени скорость открытий новых аккрецирующих чёрных дыр и нейтронных звёзд доходила до одного открытия за 3 дня наблюдений. Среди открытых источников можно, например, упомянуть о нейтронной звезде, вращающейся с частотой 524 Гц

В целом, по результатам наблюдений приборов астрофизического модуля «Квант» опубликовано более 100 работ. В научной литературе существует более 800 работ, в которых упоминаются результаты наблюдений обсерватории «Мир-Квант». [7]

Примечания

1. ↑ Mir hardware heritage
2. ↑ ^{1 2} Roentgen Observations of the X-Ray Nova GS:2023+338
3. ↑ Discovery of hard X-ray emission from supernova 1987A [1]с теоретическими предсказаниями спектра излучения сверхновой [2]
4. ↑ ^{1 2} Detection of a Hard Component in the Spectrum of the Vulpecula X-Ray Nova — Preliminary KVANT Results [3]
5. ↑ Observations of X-ray novae in Vela (1993), Ophiuchus (1993), and Perseus (1992) using the instruments of the Mir-Kvant module [4]
6. ↑ Phase resolved X-ray spectra of VELA X-1
7. ↑ Imaging of the Galactic center field by Kvant and Granat[5]

Ссылки

• TTM/COMIS telescope
• Russian Space Web
• Encyclopedia Astronautica
• Мир-Квант на сайте Центра косм.полетов им. Годдарда
• Kvant-1

См. также

• Список космических аппаратов с рентгеновскими и гамма-детекторами на борту