Magellan (sonda kosmiczna)

Magellan Opis tego obrazu, również skomentowany poniżej Wizja artysty dotycząca sondy Magellana. Ogólne dane
Organizacja NASA
Pole Badanie Wenus
Rodzaj misji Orbiter
Status Misja wykonana
Uruchomić 4 maja 1989
Wyrzutnia Amerykański prom kosmiczny 401 (Atlantis)
Identyfikator COSPAR 1989-033B
Teren www2.jpl.nasa.gov/magellan
Charakterystyka techniczna
Msza przy starcie 1035  kg
Kluczowe dane
Orbita Orbita eliptyczna
Perygeum 294  km
Apogeum 8543  km
Nachylenie 86 °
Główne instrumenty
SAR Radar , wysokościomierz , radiometr

Magellan to amerykańska międzyplanetarna sonda kosmiczna wystrzelona w 1989 roku, która stworzyła pierwszą szczegółową mapę powierzchni Wenus . Aby spenetrować grubą warstwę chmur otaczającą planetę, sonda zaimplementowała radar z syntetyczną aperturą . Podczas swojej misji sonda zmierzyła również pole grawitacyjne planety.

Projekt Magellan jest wynikiem wskrzeszenia pierwszego projektu, zwanego VOIR, wstrzymanego ze względów budżetowych. Aby opracować Magellana , NASA musiała poświęcić wszystkie instrumenty inne niż radar i ponownie wykorzystać wiele komponentów opracowanych w innych misjach. Misja zakończyła się całkowitym sukcesem i zakończyła się12 października 1994. Sonda została nazwana na cześć portugalskiego nawigatora i odkrywcy Fernanda de Magellana .

Kontekst

Eksploracja kosmosu na Wenus

We wczesnych latach czterdziestych XX wieku na planecie Wenus dostępnych było bardzo niewiele informacji ze względu na zachmurzenie, które praktycznie uniemożliwiało jakąkolwiek obserwację przez teleskopy optyczne.

Zastosowania kosmiczne radaru z syntetyczną aperturą

Projekt sondy SEE

We wczesnych latach siedemdziesiątych dwa zespoły NASA zaczęły badać misję mapowania Wenus za pomocą radaru  : zespół z Ames Space Research Center zaproponował statek oparty na sondzie Pioneer Venus , którą rozwijało centrum. Opracować, podczas gdy JPL proponuje opracowanie nowej przestrzeni sonda zwana VOIR ( Venus Orbiting Imaging Radar ) wyposażona w radar wykorzystujący albo antenę paraboliczną podobną do tych zamontowanych na sondach Voyager i Pioneer albo antenę z układem fazowym . Aby obniżyć koszty, centrum Amesa proponuje umieszczenie sondy na eliptycznej orbicie wymagającej mniej paliwa, podczas gdy propozycja JPL polega na umieszczeniu sondy na orbicie kołowej: w ten sposób sonda gromadzi dane na stałej wysokości, co upraszcza ponowne przetwarzanie te.

W 1977 roku NASA zdecydowała się na rozwój projektu VOIR. W tym samym czasie NASA rozwija swoje mistrzostwo w zakresie radaru z syntetyczną aperturą  : w 1978 roku agencja kosmiczna wystrzeliła satelitę obserwacyjnego Ziemi Seasat , który był pierwszym cywilnym zastosowaniem tego instrumentu w kosmosie. Chociaż misja poniosła porażkę po stu dniach, uzyskane wyniki imponują społeczności naukowej. We wczesnych latach osiemdziesiątych przemysłowcy Martin Marietta Aerospace , Hughes Aircraft i Goodyear Aerospace Corporation złożyli propozycję rozwoju SEE. NASA uwzględnia misję w swoim budżecie na 1981 r. Na start amerykańskiego wahadłowca w 1983 r .; data ta została następnie przesunięta na 1986 r. SEE musi ponownie wykorzystać niektóre elementy, takie jak panele słoneczne wyprodukowane jako części zamienne do Mariner 10, elektronika Voyager, wysokościomierz radarowy Pioneer Venus i radar Seasat. Jego radar działa na częstotliwości o 25  cm dłuższej niż radary pokładowe, aby móc przebić się przez szczególnie grubą warstwę chmur. Oprócz radaru VOIR musi mieć przy sobie kilka instrumentów. Oczekuje się, że cyrkulacja orbity wokół Wenus zostanie osiągnięta przy użyciu jąkającej się i ryzykownej techniki hamowania powietrznego, która pozwoli zaoszczędzić znaczną ilość paliwa. W 1981 roku do władzy doszedł prezydent Ronald Reagan i natychmiast poprosił NASA o obcięcie budżetu. Agencja kosmiczna jest zmuszona zatrzymać jeden ze swoich głównych programów. Projekt sondy VOIR, którego koszt szacowano wówczas na 680 milionów dolarów i którego datę uruchomienia właśnie przesunięto na 1988 rok, został odwołany.

Wskrzeszenie misji mapowania Wenus

Natychmiast po anulowaniu VOIR zaangażowani inżynierowie i naukowcy opracowali nowy projekt, który pozwoliłby osiągnąć te same cele po kosztach zgodnych z aktualnymi wymogami budżetowymi. Aby obniżyć koszt, nowa sonda o nazwie Venus Radar Mapper (VRM) zawiera tylko jeden instrument naukowy - radar. Rozdzielczość tego, wynosząca 500-600 metrów, jest niższa niż oczekiwana dla VIEW. Zrezygnowano z orbity kołowej: sondę należy umieścić na orbicie eliptycznej, tańszą w paliwie, kosztem bardziej złożonego przetwarzania danych, ponieważ będą one gromadzone w zmiennej odległości od powierzchni. Antena używana do radaru jest również używana w telekomunikacji. Wreszcie, większość komponentów sondy to części zamienne z istniejących lub opracowywanych sond lub modernizacje istniejącego sprzętu. Chociaż nie jest częścią tanich programów eksploracji Układu Słonecznego ustanowionych w tamtym czasie przez NASA ( Planetary Observer dla planet wewnętrznych i Mariner Mark II dla planet zewnętrznych), VRM w dużej mierze odzwierciedla tę filozofię. Wynikowy koszt oszacowano wówczas na 300 milionów dolarów, czyli połowę tego, co kosztował projekt VOIR. W 1984 roku projekt został wybrany przez NASA: agencja przez wiele lat nie rozpoczęła prac nad nowymi sondami międzyplanetarnymi. Firma Martin Marietta w Denver jest zaangażowana do opracowania sondy kosmicznej, podczas gdy realizację radaru powierzono firmie Hughes Space and Telecommunications . Sonda została przemianowana na Magellan w 1985 na cześć portugalskiego nawigatora i odkrywcy Fernanda de Magellana .

Cele naukowe misji

Cele misji Magellan to:

Charakterystyka sondy kosmicznej

Magellan jest sonda o masie 3,453  kg, oraz 2,146  kg dla silnika właściwego do wkładania sondy na orbitę Wenus. Po rozłożeniu paneli słonecznych sonda tworzy zespół o wysokości 4,6 metra i rozpiętości skrzydeł 10 metrów. Magellan obejmuje od góry do dołu (patrz diagram 1 ):

Wiele elementów sondy zostało opracowanych w ramach innych misji: Voyager ( platforma , anteny), Galileo (komputer pokładowy, dystrybucja energii elektrycznej), Ulysses ...

Telekomunikacja

Sonda kosmiczna Magellan wykorzystuje pasmo S (5-watowy nadajnik) do wysyłania informacji o swojej pracy na Ziemię oraz pasmo X (20-watowy nadajnik) do przesyłania danych naukowych zebranych na Wenus. Antena satelitarna o dużym zysku , odziedziczona po programie Voyager, służy do przesyłania danych zebranych za pomocą radaru. Jego szybkość wynosi 268,8 lub 115 kilobitów na sekundę w zależności od wielkości anteny odbiorczej na Ziemi. Wiązki szerokość wynosi 2,2 ° w paśmie S i 0,6 ° w paśmie X . Gdy antena o dużym zysku nie może być użyta (szczególnie gdy jest używana przez radar i skierowana w stronę powierzchni Wenus), sonda może użyć anteny o średnim zysku przymocowanej do przedniej komory lub anteny o małym zysku. Dookólna zamocowana na źródle anteny o dużym zysku. Stożkowa antena o średnim wzmocnieniu ma szerokość wiązki 18 °. Jest używany w szczególności podczas manewrów wprowadzania na orbitę wokół Wenus oraz podczas niektórych faz tranzytu między Ziemią a Wenus. Może być również używany w sytuacjach awaryjnych, gdy antena o dużym wzmocnieniu nie jest skierowana na Ziemię z wystarczającą precyzją. Antena dookólna o niskim zysku ma szerokość wiązki 180 °. Jest używany w szczególności do odzyskania kontroli nad sondą kosmiczną, gdy system kontroli położenia jest uszkodzony.

Energia

Energię dostarczają dwa sterowalne panele słoneczne, które dostarczają 1200 watów na orbicie Wenus. Panele słoneczne o wymiarach 2,5 × 2,5 metra są składane na korpusie sondy podczas startu i rozkładane, gdy sonda jest w kosmosie. Aby utrzymać temperaturę paneli słonecznych poniżej 115  ° C , 35% powierzchni po stronie ogniwa słonecznego i 100% tylnej strony jest pokryte lusterkami odblaskowymi.

Napęd

Wprowadzenie na orbitę wokół Wenus odbywa się za pomocą rakiety na paliwo stałe o masie 2246  kg STAR-48B, w tym 2014  kg paliwa. Ten silnik kulminacyjny został opracowany w celu umieszczenia satelitów telekomunikacyjnych na ich orbicie geostacjonarnej . Manewry orbitalne i korekty orientacji są obsługiwane przez kilka pojedynczych silników napędowych wykorzystujących hydrazynę, umieszczonych na czterech końcach krzyżowej struktury znajdującej się z tyłu sondy. W każdym z czterech naroży znajdują się dwa silniki rakietowe z ciągu 445 niutonów stosowanych do większych trajektorii lub orbity korekt silnik 22N rakiety wykorzystywane do ograniczenia rolkę podczas tych manewrów, a klaster 3 suwakami 0,9 N do kontroli orientacji.

Kontrola postawy

Sonda Magellana jest stabilizowana w trzech osiach, to znaczy, że jej orientacja jest ustalona w gwiazdowym układzie odniesienia. System kontroli położenia jest bardzo poszukiwany, ponieważ na każdej orbicie sonda całkowicie zmienia swoją orientację czterokrotnie, aby obracać swoją główną antenę naprzemiennie w kierunku Ziemi Wenus i Ziemi. W ciągu 243-dniowego cyklu oznacza to 7800 zmian w nastawieniu. Aby uniknąć konieczności przenoszenia dużych rezerw paliwa przeznaczonego do tego zadania, Magellan wykorzystuje koła reakcyjne do korygowania lub modyfikowania orientacji sondy wspomaganej przez małe silniki odrzutowe o ciągu 0,9 niutona przeznaczone do tego zadania. Orientacja jest okresowo sprawdzana za pomocą czujników słonecznych i szukacza gwiazd .

Inne systemy

Gdy radar działa, zebrane dane są tymczasowo rejestrowane przed retransmisją na dwóch nadmiarowych magnetofonach odziedziczonych po sondzie Galileo .

Oprzyrządowanie naukowe

Ze względu na koszty Magellan dostarcza tylko jeden instrument naukowy. Otwór syntetyczny radaru SAR ( Synthetic Aperture Radar ) działa w zakresie częstotliwości 2.385  GHz zużywa 325 watów. Jego antena może skanować pasmo o szerokości do 25  km . Zebrane dane obejmują objętość 806 kilobitów na sekundę.

Radar SAR może pełnić trzy role:

Przebieg misji

Wystrzel i orbituj wokół Wenus

Sonda Magellana miała zostać wystrzelona przez amerykański wahadłowiec w 1988 roku: miała zrzucić ją na niską orbitę, a następnie wystrzelić etap Centaur G przymocowany do sondy, aby umieścić sondę na orbicie transferowej do planety Wenus. Ale wypadek Challengera zakłócił bardzo napięty harmonogram startów wahadłowców, narzucając okres moratorium, w którym nie ma możliwości startu. Sonda kosmiczna zostaje wystrzelona4 maja 1989przez promu Atlantis ( STS-30 misji ). Dotarcie do celu i umieszczenie na orbicie wokół Wenus trwa 462 dni.

Orbita robocza

Sonda kosmiczna Magellana porusza się wokół planety Wenus po eliptycznej orbicie biegunowej 294  km ( perycentrum ) na 8543  km ( apocentrum ) i nachyleniu 86 °, które sonda przemierza w 189 minut. Nachylenie zostało tak dobrane, aby sonda przeleciała w mniejszej odległości nad obszarami bieguna północnego, które mają cechy intrygujące naukowców, a nie biegun południowy. Sonda zbiera dane, kiedy zbliża się jak najbliżej planety, a więc kiedy przelatuje nad jedną z dwóch półkul planety (patrz diagram). Rotacja płaszczyzny orbity z powodu nieregularności pola grawitacyjnego jest bardzo mała, ponieważ w przeciwieństwie do Ziemi Wenus jest kulą prawie idealną. Ponadto prędkość obrotu samej Wenus jest niska, ponieważ okres rotacji gwiazdowej trwa 243 dni ziemskie. W rezultacie ślad naziemny sondy jest przesunięty tylko o 20  km na poziomie równika z jednej orbity na drugą. Nakładanie się obszarów mapowanych (szerokość pasma wyznaczonego przez radar: 25  km ) między dwoma kolejnymi przejazdami jest zatem znaczące. Nakładanie się jest jeszcze większe na dużych szerokościach geograficznych, więc sonda zmienia orbitę, podczas której radar skanuje szerokości geograficzne od 56 ° na południe do 90 ° na północ z orbitą, na której mapowane są szerokości geograficzne między 70 ° południa i 56 ° północy. Antena radaru jest pochylona pod kątem 35 °, dzięki czemu zebrane dane zapewniają lepszy przegląd terenu. Ponieważ orbita nie jest kołowa, odległość od ziemi zmienia się w trakcie pracy radaru.

Ze 189 minut, które trwa podróż na orbicie, tylko 37 minut jest przeznaczonych na obserwacje radarowe. W pozostałej części swojej podróży sonda spędza większość czasu na przesyłaniu zebranych danych. Po fazie zbierania danych, sonda kieruje antenę w kierunku ziemi, a następnie przesyła dane w dwóch odrębnych sesji 57-minutowych, kiedy sonda znajduje się w punkcie orbity najdalej od planety przez krótkie odległości. Sterujący położeniem etap ponownej regulacji . Orientacja anteny jest ponownie zmieniana, zanim sonda rozpocznie nowy przelot na małej wysokości nad powierzchnią planety.

„Cykle” misji

Misja podzielona jest na cykle: każdy cykl trwa 243 dni, co odpowiada okresowi gwiezdnej rotacji Wenus. Pod koniec cyklu Wenus dokonała całkowitego zwrotu i cała planeta paradowała pod instrumentami sondy Magellana . Długowieczność sondy umożliwiła sporządzenie mapy planety w ciągu 5 cykli między nimi15 września 1990 i 23 sierpnia 1994.

Cykl 1: 15 września 1990-14 maja 1991

Podczas pierwszego cyklu, który trwa od 15 września 1990 w 14 maja 1991, 83,7% powierzchni Wenus jest odwzorowana z anteną radaru przechyloną w lewo. Wysokość sondy waha się od 2000  km na poziomie bieguna północnego do 290 ° na 9,5 ° szerokości geograficznej północnej. Mapowany obszar rozciąga się od bieguna północnego do 75 ° szerokości geograficznej południowej. Na biegunie północnym rozdzielczość wynosi od 100 do 110 metrów w zależności od szerokości geograficznej.

Cykl 2: 15 maja 1991-14 stycznia 1992

Celem drugiego cyklu, który rozciąga się od 15 maja 1991 w 14 stycznia 1992, ma na celu zmapowanie obszarów, które nie były podczas cyklu 1, w szczególności regionu bieguna południowego. 54,5% powierzchni Wenus jest odwzorowane z anteną radaru przechyloną w prawo, co daje całkowite pokrycie w cyklu 1 na poziomie 96%.

Cykl 3: 15 stycznia 1992 - 13 września 1992

Celem trzeciego cyklu, który rozciąga się od 15 stycznia 1992 w 13 września 1992polega na wykonaniu zdjęć, które w połączeniu z tymi z cyklu 1 dają obrazy stereo. Antena radaru jest pochylona w lewo, ale pod nieco innym kątem niż w cyklu 1. Podczas cyklu 3, 21,3% powierzchni Wenus, a całkowite pokrycie wynosi 98%.

Cykl 4: 14 września 1992-23 maja 1993

Celem czwartego cyklu, który rozciąga się od 14 września 1992 w 23 maja 1993, ma wykonać pomiary pola grawitacyjnego Wenus. Antena jest skierowana na Ziemię, a zmiany przyspieszenia spowodowane zmianami natężenia grawitacji są mierzone przez przesunięcie Dopplera emisji radiowych. Dokładność pomiaru wynosi 0,1 mm / s 2 .

Cykl 5: 24 maja 1993 - 29 sierpnia 1994

Celem piątego cyklu, który rozciąga się od 24 maja 1993 w 29 sierpnia 1994polega na zakończeniu pomiarów pola grawitacyjnego Wenus poprzez modyfikację orbity. Rzeczywiście, dokładność pomiarów jest znacznie niższa na biegunach ze względu na wyższą wysokość sondy nad tymi regionami. Aby poprawić jakość danych, orbita jest częściowo cyklizowana przy użyciu między24 maja i 2 sierpnia 1993, technika hamowania powietrznego, aż sonda krąży po orbicie 540 × 180  km z okresowością 94 minut. Następnie pomiary pola grawitacyjnego zostaną wznowione identycznie, jak podczas cyklu 4.

Koniec misji

Od początku września przeprowadzany jest ostatni eksperyment przed zaprogramowaną śmiercią sondy. Orbita sondy jest obniżana, aż wniknie w górne warstwy atmosfery Wenus, a panele słoneczne są przechylane w przeciwnych kierunkach (jak skrzydła wiatraka ), tak że opór generowany przez tarcie atmosfery tworzy kilka sił na sondzie. Eksperyment polega na pomiarze siły nacisku, jaką należy wywrzeć w celu usunięcia tego momentu obrotowego (za pomocą silników sondy) i zapobieżenia obracaniu się sondy. Pomiary te dostarczają informacji o tej części atmosfery.

Następnie kilka manewrów z 14 wrześniadodatkowo obniż apocentrum do wysokości 136  km, co wiąże się z ponownym wejściem w atmosferę Wenus i zniszczeniem. Ostatni kontakt z sondą jest włączony12 października 1994.

Wyniki naukowe

Misja pozwoliła na stworzenie stosunkowo szczegółowej mapy Wenus, która w 2011 roku nadal stanowi najdokładniejsze odwzorowanie powierzchni planety. Badanie obrazów o wysokiej rozdzielczości dostarczyło wglądu w wpływ uderzeń meteorytów , wulkanizmu i tektoniki, odpowiednio, na formowanie się struktur powierzchniowych Wenus. Powierzchnia Wenus jest w większości pokryta materiałami wytwarzanymi przez wulkanizm  : powszechne są rozległe równiny lawy , pola małych kopuł lawy i duże wulkany tarczowe. Istnieje kilka kraterów uderzeniowych, co sugeruje, że struktury powierzchni są geologicznie nowe (mają mniej niż 800 milionów lat). Obecność kanałów lawowych o długości 6000  km jest niewątpliwie spowodowana przepływami lawy o wyjątkowo niskiej lepkości, wytwarzanymi w dużych ilościach. Duże kopuły wulkaniczne w kształcie płatków sugerują obecność lawy wytworzonej w wyniku ewolucji skał skorupowych na dużą skalę . Na powierzchni Wenus nie ma wskazujących na tektonikę płyt ziemskich śladów : dryfu kontynentów i stref dywergencji. Tektonika Wenus jest zdominowana przez system globalnych stref uskoków i wiele dużych struktur kopułowych zwanych koronami, które powstały w wyniku wypiętrzenia i osiadania magmy pod płaszczem. Chociaż Wenus ma gęstą atmosferę, struktury powierzchni nie wykazują oznak erozji wietrznej, a transport piasku i pyłu wydaje się być ograniczony.

Galeria

  • Golubkina, gigantyczny wulkan o średnicy około 30 km czy 34- kilometrowy krater  wyrzeźbiony przez meteoryt?

  • Seria wulkanów w kształcie naleśników (Domical Hills of Alpha Regio ) o średnicy 25  km i wysokości 750  m .

  • Aktywny wulkan, wulkan Sif Mons .

  • Płaskorzeźba wokół Eistla Regio .

Uwagi i odniesienia

Uwagi

  1. Prom kosmiczny wykonał swój pierwszy lot w 1981 roku.

Bibliografia

  1. Paolo Ulivi i wszyscy op. cit. p.  3
  2. Paolo Ulivi i wszyscy op. cit. p.  4-6
  3. Paolo Ulivi i wszyscy op. cit. p.  167-168
  4. "  NSSDC Master Catalog: Magellan  " , NASA (dostęp 15 listopada 2011 )
  5. Paolo Ulivi i wszyscy op. cit. p.  171-172
  6. Carolynn Młode op. cit. Rozdział 4: Statek kosmiczny Magellana
  7. The Magellan Venus Explorer's Guide op. cit. Rozdział 4
  8. (w) "  Atlantis wypuszcza 22 marca  " , Flight International magazyn , lot Business Press International ( via Flightglobal Archive) .  135 n O  4157,25 marca 1989, s.  12 ( ISSN  0015-3710 , przeczytaj online [PDF] ).
  9. Paolo Ulivi i wszyscy op. cit. p.  167-169
  10. "  Magellan: Plan misji  " , NASA, 08 stycznia 1997 1994
  11. „  Wiatrak Magellana  ” , NASA,7 września 1994
  12. "  Magellan Key Scientific Results  " , NASA (dostęp 19 listopada 2011 )

Zobacz też

Bibliografia

  • NASA
    • (en) Carolynn Young (NASA), The Magellan Venus Explorer's Guide ,1990( czytaj online )Historia projektu Magellan
  • Inny
    • (en) Paolo Ulivi i David M Harland, Robotic Exploration of the Solar System Part 2 Hiatus and Renewal 1983-1996 , Chichester, Springer Praxis,2009, 535  str. ( ISBN  978-0-387-78904-0 )Historia misji międzyplanetarnych w latach 1982-1996

Powiązane artykuły

Linki zewnętrzne