ACS

ACS (англ. Atmospheric Chemistry Suite) — один из четырёх научных инструментов орбитального модуля TGO международного проекта ExoMars 2016. ACS состоит из трёх инфракрасных спектрометров и блока управления. Научной задачей ACS является анализ атмосферы Марса и оценка распределения веществ в атмосфере по высоте. Приборы ACS и NOMAD, расположенные на TGO, разработаны таким образом, что получаемые с них данные дополняют друг друга. ACS разработан в Институте космических исследований Российской aкадемии наук (ИКИ) при участии научных организаций Франции, Германии, Италии.

Научные цели

Инструмент ACS предназначен для изучения химического состава марсианской атмосферы вплоть до компонент малых концентраций. Например, содержание метана планируется анализировать с точностью до одной частицы на триллион. Также в задачи инструмента входит исследование распределения отношения дейтерия к водороду из которых состоит атмосферная вода и другие соединения кислорода и водорода. Планируется, что с помощью ACS будут строиться тепловые карты Марса, карты распределения аэрозолей в атмосфере и карты распределения водяного пара.

Для выполнения научной программы у ACS имеется несколько режимов функционирования:

• надирный режим на дневной и ночной сторонах планеты, когда исследуется отражённый свет или собственное излучение Марса;
• затменный режим, когда атмосфера будет просвечиваться Солнцем.

Состав инструмента

Инструмент ACS состоит из трёх спектрометров (NIR, MIR, TIRVIM) и блока управляющей электроники.

NIR (Near-IR) представляет из себя эшелле-спектрометр работающий в диапазоне 0,7 — 1,6 мкм. Спектрометр обладает высоким разрешением и позволяет исследовать вертикальные профили и распределение водяного пара в атмосфере. NIR позволяет изучать дневное свечение молекулярного кислорода и искать ночное свечение, вызванное фотохимическими процессами. NIR в своей работе использует эшелле-спектрометр и акустооптический перестраиваемый фильтр AOTF (англ. Acousto-Optic Tunable Filter). Спектральное разрешение NIR — ~20000. Размер эшелле-решётки 46х102 мм, количество штрихов 24,35 на мм с углом 70°. Особенностью прибора является возможность параллельной записи спектров высокого разрешения. При этом прибор не имеет механических подвижных частей, что повышает надёжность, уменьшает габариты и снижает потребляемую мощность}. Предшественником спектрометра NIR является инструмент «РУСАЛКА» («РУчной Спектральный АнаЛизатор Компонентов Атмосферы») Принципиальным различием являются условия эксплуатации приборов: на МКС «РУСАЛКА» работал внутри обитаемого объёма, а на TGO NIR работает в условиях открытого космоса.

MIR (Mid-IR) так же является эшелле-спектрометром, но детектирующий диапазон 2,3 — 4,2 мкм. Прибор исследует содержание метана, отношение дейтерий/водород, малые составляющие и аэрозоли в атмосфере. MIR выполнен по схеме эшелле-спектрометра со скрещенной дисперсией. Такая схема позволяет размещать в одном кадре друг над другом спектры различных газов. В одном кадре покрывается спектральный интервал до 300 нм. Прибор обладает разрешением ~50000, отношением сигнал/шум ~5000 (без учёта усреднения), что даёт возможность в затменном режиме детектировать молекулы метана до 20 — 50 частей на миллиард. Угол зрения прибора 0.5х10 мин дуги (0.1х2.9 мрад), эшелле-решётка имеет три штриха на миллиметр. Предшественником прибора MIR является прибор ТИММ, который был размещён на борту «Фобос-грунт», но ему не посчастливилось дать научные результаты. Различие между ТИММ и MIR заключается в том, что в первом приборе использовался акустооптический фильтр, а во втором применен принцип скрещенной дисперсии.

TIRVIM является фурье-спектрометром в диапазоне 1,7 — 17 мкм. TIRVIM работает по схеме V-образного (двойной маятник) интерферометра с апертурой 50 мм. Прибор предназначен для работы в надирном и затменном режиме. В надирном режиме исследуются профили температуры и содержание аэрозолей и малых составляющих атмосферы. Температурные профили строятся по углекислому газу (полоса 15 мкм). В затменном режиме исследуются содержание пыли, облака и температура поверхности. В полосе 3,3 мкм проводится картирование метана.

В затменном режиме могут работать все приборы инструмента ACS. В дневном надирном режиме работают TIRVIM и NIR, а в ночном только TIRVIM.

При анализе термоупругих диформаций комплекса ACS пришлось отказаться от 18 опор изготовленных из пластика Vespel и перейти на титановый сплав VT6. Это позволило избежать разрушения места крепления инструмента ACS к модулю TGO.

Масса инструмента 33,3 кг, потребляемая мощность 50 Вт, телеметрический трафик 1,6 Гбит в сутки.

История создания

Работа над проектом ACS началась в 2012 году.

ACS и его компоненты создавались с учетом опыта разработки и эксплуатации инструментов Spicam (Mars Express), «РУСАЛКА» (МКС, 2009 — 2012 годы), ПФС («Марс-96», Mars Express, Venus Express). Главными отличиями на фоне предшественников являются высокое разрешение и чувствительность.

Заказчиком инструмента ACS является «Роскосмос», основным исполнителем и координатором работ является ИКИ, научный руководитель проекта О. И. Кораблёв, заместитель научного руководителя Франк Монмессан (LATMOS, Франция). Техническим руководителем проектов MIR и NIR является А. Трохимовский, а TIRVIM — А. Григорьев.

Основными участниками проекта являются: «Научно-исследовательский институт микроприборов им. Г.Я. Гуськова» (Зеленоград, Россия), «НПП «Астрон Электроника» (Орёл, Россия), LATMOS (Франция), Главная астрофизическая обсерватория Национальной академии наук Украины (Украина), ОАО «Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения» (Сосновый Бор, Россия), AMOS и Xenix (Бельгия), Sofradir (Франция), RICOR (Израиль), Spectral Systems LLC (США), ООО Научно – исследовательский институт космических и авиационных материалов (Переславль-Залесский, Россия), ОАО «Композит» (Королёв, Россия).