NOMAD (NOMAD)

NOMAD (англ. Nadir and Occultation for Mars Discovery) — научный инструмент орбитального модуля TGO международной миссии ExoMars 2016. В разработке и изготовлении инструмента принимали участие научные организации из Испании, Италии, США, Канады и Великобритании.

Расположение инструмента NOMAD и других научных инструментов на орбитальном модуле TGO

Состав и функционирование

Схема демонстрирующая методику надирного наблюдения

Основными элементами NOMAD являются три спектрометра, которые позволяют исследовать компоненты марсианской атмосферы с высокой чувствительностью. NOMAD позволяет проводить прямые надирные наблюдения, а также работать в режиме солнечного просвечивания. Спектрометры NOMAD работают трёх разных диапазонах: инфракрасный (2,2 — 4,3 мкм) (каналы SO и LNO), ультрафиолетовый и видимый (0,2 — 0,65 мкм) (канал UVIS). В ультрафиолетовом и видимом диапазоне ежесекундно производится съёмка участка спектра от 200 до 650 нм.

Режим солнечного просвечивания осуществляется при входе или выходе модуля TGO в тень. В это время прибор, смотрящий на Солнце, наблюдает разные слои атмосферы. Метод солнечного просвечивания позволяет строить вертикальные профили концентрации интересующих компонентов атмосферы.

В надирном режиме NOMAD исследует свет, отражённый поверхностью Марса или его атмосферой. При этом сам инструмент направлен вертикально вниз перпендикулярно поверхности планеты. В надирном режиме инструмент более чувствителен к низкому уровню освещённости. Кроме атмосферы, в этом режиме инструмент позволяет исследовать особенности поверхность планеты. Например, вечную мерзлоту. Исследования в надирном режиме планируется проводить с периодичностью в 3 — 4 сола, что позволит исследовать одни и те же участки при разных условиях освещённости.

Канал SO создавался на основе инструмента SOIR миссии Venus Express и являлся практически полной его копией. При солнечном просвечивании инструмент NOMAD ежесекундно фиксирует до шести участков спектра, что позволяет отслеживать несколько молекул-мишеней, поглощающих свет на разных длинах волн. Сеанс наблюдений длится около пяти минут, в течение которых может быть измерено до 300 спектров на каждый диапазон. Эти измерения позволяет анализировать атмосферу от приповерхностных до самых верхних слоёв.

Канал LNO так же создавался с учётом опыта инструмента SOIR. Изменения прибора были направлены на повышение чувствительности при низких уровнях освещения, которые присущи надирным наблюдениям Марса. Изменения коснулись входной щели, которая стала больше для повышения чувствительности; электронных компонентов, для повышения вычислительной мощности; и системы охлаждения детектора. Система охлаждения детектора в инструменте SOIR работала примерно 20 минут в венерианские сутки. В инструменте NOMAD канал LNO будет работать значительно дольше. Кроме этого, система охлаждения канала LNO охлаждает некоторые элементы инструмента, включая оптику, для снижения теплового фона. Разработка системы охлаждения канала LNO проводилась с привлечением экспертов из Мадрида (Испания). ИК-спектрометр LNO проводит наблюдения до шести спектральных участков, но время экспозиции может превышать 1 секунду, что бы наблюдать молекулы газа в следовых концентрациях. В надирном режиме канал LNO позволяет исследовать вертикальный срез атмосферы по мере движения орбитального модуля TGO.

Канал UVIS расширяет возможности NOMAD в сравнении с SOIR за счёт наблюдения ультрафиолетовой и видимой части спектра. UVIS позволяет проводить наблюдения за озоном, серной кислотой и аэрозолями в атмосфере Марса. Изначально спектрометр UVIS планировалось разместить на спускаемом аппарате. Но после изменения проекта ExoMars на двух этапную схему канал UVIS решили использовать на орбитальном модуле TGO. Прибор был адаптирован для орбитальных условий наблюдения: время экспозиции одного измерения было уменьшено до 1 секунды.

Основной целью инструмента NOMAD являются анализ наличия и распространённости 18 молекул: CO₂, CO, H₂O, C₂H₂, C₂H₄, C₂H₆, H₂CO, CH₄, SO₂, H₂S, HCl, HCN, HO₂, NH₃, N₂O, NO₂, OCS, O₃

Пределы обнаружения веществ в режиме солнечного просвечивания:

Канал	CH4	C2H2	C2H4	C2H6	CO	HCl	HCN	H2CO	HDO	H2O	HO2	H2S	NH3	N2O	NO2	O3	OCS	SO2
SO	25 ppt	0,03 ppb	0,2 ppb	0,03 ppb	5 ppb	0,03 ppb	0,03 ppb	0,04 ppb	0,7 ppb	0,2 ppb	1 ppb	4 ppb		0,2 ppb	0,14 ppb	2,5 ppb	0,3 ppb
LNO	20 ppt	0,03 ppb	0,15 ppb	0,02 ppb	4 ppb	0.025 ppb	0,03 ppb	0,03 ppb	0,7 ppb	0,15 ppb	1 ppb	4 ppb		0,2 ppb	0,1 ppb	1,5 ppb	0,3 ppb
UVIS								7,5 ppb					1 ppb			50 ppt		0,5 ppb

Пределы обнаружения веществ в надирном режиме:

Канал	CH4	C2H2	C2H4	C2H6	CO	HCl	HCN	H2CO	HDO	H2O	HO2	H2S	NH3	N2O	NO2	O3	OCS	SO2
LNO	11 ppb	20 ppb	70 ppb	11 ppb	1,5 ppm	31 ppb	15 ppb	16 ppb	0,7 ppm	31 ppm	0,5 ppm	1,6 ppm		83 ppb	50 ppb	0,8 ppm	122 ppb
UVIS								150 ppb								4,5 ppb		18 ppb

История создания

Инструмент NOMAD был разработан в Бельгийском институте космической астрономии (BIRA-IASB) (Брюссель). При разработке учитывался опыт инструмента SOIR (Solar Occultation in the Infra-Red) работавшем на аппарате Venus Express. УФ-спектрометр создавался на основе прибора для миссии Mars Lander (разработчик Открытый университет (Великобритания)). NOMAD был включён в первый набор инструментов для миссии ExoMars. Кроме европейского прибора в первый вариант были включены американские MATMOS, EMCS, HiSCY и MAGIE, которые не попали на борт орбитального модуля TGO.

По регламентам ЕКА было создано три варианта инструмента NOMAD. Весо-габаритный макет (STM), который соответствовал прибору по размеру, массе, центру тяжести и т. д., но не имел научной начинки. Макет использовался при испытаниях модуля TGO и не предназначался для отправки в космос. Полётный экземпляр (pFM), который изначально готовился в качестве основного инструмента и проходил все необходимые тесты. Запасной полётный экземпляр (FS), который являлся полным аналогом pFM, но не был основным вариантом. Именно FS-экземпляр послужил донором, когда был обнаружен дефект детектора в канале оптического диапазона pFM-экземпляра. Если бы отсутствовал запасной полётный экземпляр инструмент NOMAD отправился бы в полёт с ограниченной функциональностью.

Основным подрядчиком по созданию инструмента была компания OIP (Ауденарде, Бельгия). Центральный электронный блок и программное обеспечение (прошивки) разрабатывала испанская команда, которая работала над проектами Rosetta, Mars Express и Venus Express. Сам блок был создан компанией Thales Alenia Space Belgium. Прибор UVIS был разработан компанией Lambda-X (Нивель, Бельгия). Электронная часть прибора была разработана и создана Mullard Space Science Laboratory (Великобритания).

Бельгийский институт космической астрономии (BIRA-IASB) осуществлял координацию всего проекта NOMAD, обеспечивал документооборот и взаимодействие с ЕКА. Кроме этого он разработал основную часть SO и LNO каналов спектрометров, в том числе и электронные составляющие. Также BIRA-IASB отвечал за разработку наземного вспомогательного оборудования.

Ссылки

• ExoMars Trace Gas Orbiter Instruments: NOMAD - Nadir and Occultation for MArs Discovery  (неопр.). ЕКА (2 мая 2016). Дата обращения: 22 мая 2016. Архивировано 3 марта 2016 года.
• The NOMAD instrument  (неопр.). ExoMars. Royal Belgian Institute for Space Aeronomy. Дата обращения: 24 мая 2016. Архивировано 24 мая 2016 года.
• The NOMAD instrument: 3 channels  (неопр.). ExoMars. Royal Belgian Institute for Space Aeronomy. Дата обращения: 25 мая 2016. Архивировано 25 мая 2016 года.
• Твиттер TGO  (неопр.). ExoMars orbiter. ЕКА. Дата обращения: 25 мая 2016. Архивировано 18 апреля 2016 года.

Литература

• Бецис Д. ExoMars уже в пути // Новости космонавтики : журнал. — 2016. — Май (№ 05 (400)). — С. 37—45.
• S. Robert et al. Expected performances of the NOMAD/ExoMars instrument (англ.) // Planetary and Space Science : журнал. — 2016. — No. 124. — P. 94–104.
• Ann C. Vandaele et al. Optical and radiometric models of the NOMAD instrument part I: the UVIS channel (англ.) // Optics Express : журнал. — 2015. — Vol. 23, no. 23. — P. 30028—30042. — doi:10.1364/OE.23.030028.
• I. R. Thomas et al. Optical and radiometric models of the NOMAD instrument part II: the infrared channels - SO and LNO (англ.) // Optics Express : журнал. — 2016. — Vol. 24, no. 4. — P. 3790—3805. — doi:10.1364/OE.24.003790.