În acest ultim articol despre sonda Messenger, vom trage o concluzie şi vom încerca să vedem care va fi viitorul explorării lui Mercur în următoarea decadă. Date fiind reducerile de bugete în domeniul aerospaţial, lucrurile nu par să se mişte în direcţia bună.
Sonda Messenger - ţinta Mercur (5)
Astfel că, cel puţin deocamdată, o singură sondă este planificată să calce pe urmele lui Messenger. Este vorba despre satelitul europeano-japonez Bepi-Colombo ce se află în faza de construcţie şi testare, urmând să fie lansat, cel mai probabil, în luna iulie a anului 2014 şi să ajungă la destinaţie undeva în 2020.
Fără să revenim asupra caracteristicilor unui zbor în jurul lui Mercur- cei interesaţi le pot găsi în articolele anterioare - vom încerca să punem în oglindă soluţiile tehnice găsite de ingineri în cele două cazuri şi dacă este posibil să facem o comparaţie între cele două misiuni.
Câteva cuvinte aşadar despre BepiColombo
Denumită după omul de ştiinţă italian Giuseppe Colombo, ce şi-a dedicat mare parte din activitate studiului planetei Mercur, misiunea BepiColombo va duce la alte dimensiuni explorarea pe care o va realiza Messenger, aducând o colaborare directă, prima la acest nivel, între ESA şi JAXA.
Vor fi de fapt 2 sateliţi - Mercury Planetary Orbiter (MPO) construit de ESA şi Mercury Magnetosphere Orbiter (MMO) construit de JAXA grupaţi în modulul Mercury Transfer Module (MTM) ce asigură transferul de la Pământ la Mercur şi plasarea celor două probe pe o orbită stabilă.
Această platformă, care poate fi văzută ca un container care va înmagazina cei doi sateliţi (inactivi pe durata transferului) va asigura protecţia acestora la variaţiile termice şi de radiaţii pe care acest zbor le implică, dar rolul său principal va fi, după cum spuneam să asigure propulsia necesară plasării în jurul lui Mercur.
Odată ansamblul ajuns la destinaţie MTM se va separa şi va lăsa cei 2 sateliţi în orbite independente.
Trebuie deasemenea amintit că iniţial s-a propus şi un al treilea modul - Mercury Surface Element (MSE) - în fapt un ‘lander’ de dimensiuni mici ce ar fi trebuit să opereze timp de o săptămână la suprafaţa planetei, dar acesta a fost ulterior anulat din cauza constrângerilor financiare.
Misiunea Bepi-Colombo a fost luată în discuţie pentru prima dată în mai 1993. În 2000 ESA şi-a reafirmat interesul pentru construirea unui satelit care să exploreze planeta Mercur, iar în februarie 2007 a intrat oficial în programul Cosmic Vision. Întreaga misiune va costa Europa aproximativ 1 miliard de euro incluzând construcţia satelitului, lansarea şi operarea.
Lansarea va avea loc de la baza spaţială din Kourou, Guiana Franceza, la bordul unei rachete Ariane 5. Data oficială de lansare este astăzi 19 iulie 2014, dar o a doua fereastră este posibilă (august 2015) în cazul că se ratează aceasta ţintă.
Transferul orbital va folosi la fel ca şi în cazul lui Messenger tehnica gravitaţii asistate – cu “fly-by” (traiectorie de accelerare) în jurul Pământului, a lui Venus şi a lui Mercur, aşa cum vom detalia mai târziu - dar şi cu folosirea presiunii solare sau a propulsiei electrice.
ESA va fi responsabilă pentru călătoria interplanetară şi înscrierea celor doi sateliţi în jurul planetei Mercur, iar pe urma fiecare agenţie îşi va opera separat propria sonda.
Rezultatele ştiinţifice, cât şi infrastructura vor fi însă folosite în comun, misiunea BepiColombo având la dispoziţie staţiile Cebreros (35m în diametrul antenei) şi Usuda (64 m în diametrul antenei), dar şi reţeaua americană DSN pentru cazurile de urgenţă.
MPO este un satelit care măsoară 1.6 x 1.7 x 1.9 m şi care cântăreşte 1147 kg (fără combustibil) din care 80 de kg numai partea de instrumente. În total 11 proiecte sunt găzduite la bord :
• BELA – BepiColombo Laser Altimeter
• ISA – Italian Spring Accelerometer
• MERMAG – Mercury Magnetometer
• MERTIS-TIS – Mercury Thermal Infrared Spectrometer
• MGNS – Mercury Gamma ray and Neutron Spectrometer
• MIXS – Mercury Imaging X-ray Spectrometer
• MORE – Mercury Orbiter Radio science Experiment
• PHEBUS – Probing of Hermean Exosphere by Ultraviolet Spectroscopy
• SERENA – Search for Exosphere Refilling and Emitted Neutral Abundances (Neutral and ionised particle analyser)
• SIMBIO-SYS – Spectrometers and Imagers for MPO BepiColombo Integrated Observatory System (High resolution and stereo cameras, Visual and NIR spectrometer)
• SIXS – Solar Intensity X-ray Spectrometer
Stabilizat triaxial, satelitul va călători într-o orbită polară cu înclinaţia de 90 de grade, perigeul la 400 km şi apogeul la 1508 km. În această configuraţie satelitul va avea o perioadă orbitală de 2.3 ore. Controlul orbital se va realiza cu ajutorul a patru motoare de 22 N, iar satelitul va fi dotat în paralel cu 3 camere stelare.
Puterea generată de panourile solare va fi cuprinsă între 935 şi 1565 W suficient pentru consumul instrumentelor –care este estimat la 100-174 W. În total se aşteaptă recepţia a 1550Gbiti de date pentru perioada nominală de operare de 1 an- la o rată de 50kbps (folosind comunicaţie în benzile X şi Ka).
MMO-satelitul de origine japoneză va măsura 1.1 m înălţime x 1.9 m diametru şi va cântări 275 de kg (fără combustibil) din care 45 de kg numai instrumentele ştiinţifice :
• MERMAG-M/MGF – Mercury Magnetometer
• MPPE – Mercury Plasmă Particle Experiment
• PWI – Plasmă Wave Instrument
• MSASI – Mercury Sodium Atmospheric Spectral Imager
• MDM – Mercury Dust Monitor
Va fi un satelit stabilizat prin rotaţie (un ‘spinner’ în terminologia consacrată) la viteza de 15 rpm, cu axa de rotaţie la 90 de grade faţă de Soare.
Orbită în care va zbura va fi, de asemenea, una polară cu înclinaţie de 90 de grade, perigeul la 400 km şi apogeul la 11824 km. Perioada orbitală va fi în aceste condiţii de 9.3 ore.
Sistemul AOCS (attitude and orbit control system) va avea în sarcina 6 motoare alimentate de GN2 (4.25 kg), fiecare cu 0.2 N, 2 senzori solari, o cameră stelară şi un dispozitiv de scădere a momentului de rotaţie al platformei.
Puterea electrică generată va varia între 348 şi 450 W în funcţie de distanţa faţă de Soare, dar va acoperi suficient consumul instrumentelor estimat la 90 W.
Satelitul va comunica cu solul în banda X la o rată de 5kb/s, ceea ce va duce la o colecţie de date de 160Gbiti/an.
Cum aminteam mai devreme transferul orbital - partea critică a misiunii BepiColombo - va beneficia de aportul de viteză adus de gravitaţia Pământului, a lui Venus şi a lui Mercur - similar cu ceea ce NASA a folosit în cazul lui Messenger.
Următorul tabel listează agenda misiunii şi principalele evenimente ce vor avea loc :
credit SpaceAlliance.ro
În această configuraţie, durata de transfer orbital a scăzut faţă de Messenger de la 6.5 ani la 6 ani. Aceasta şi datorită rolului propulsiei electrice.
SEP sau ‘solar electric propulsion’ este un sistem moştenit de la misiunea europeană Smart-1, cea care l-a folosit pentru prima dată în jurul Lunii.
Pentru cei interesaţi aici pot fi consultate datele orbitale ale lui Messenger.
MTM-Mercury Transfer Module- cel care îl va folosi, va avea o masă de 4.2 tone la lansare din care 32% va fi combustibil, respectiv 816 kg de combustibil convenţional chimic şi 500 kg de xenon pentru alimentarea motoarelor electrice.
Sistemul chimic de propulsie este format din 8 motoare bipropelant (N2O4-MMH) de câte 10 N fiecare, în timp ce sistemul electric de propulsie grupează 4 motoare.
În aceste condiţii se va putea atinge un delta-v de 5.025 km/s (în cazul propulsiei electrice) şi 1.065 km/s pentru propulsia convenţională, oricum cifre mult superioare celor pe care le-a avut la dispoziţiei Messenger (2.2 km/s).
MTM va fi capabil să genereze prin propriile panouri solare, care au o suprafaţă de 40 m2, o energie ce va varia între 7 kW la distanţă maximă de Soare a călătoriei sale (1.13 AU) şi 14 kW la distanţă minimă (0.62 AU), aceste cifre fiind esenţiale pentru stabilirea performanţelor finale ale sistemului SEP (pentru care se estimează un consum mediu de 10.6 kW).
Spre exemplu la o distanţă de 1 AU nominal, energia electrică va fi folosită pentru operarea unui singur motor odată, proiectanţii estimând o forţă de tracţiune de 100-130 mN, dar pe măsură ce distanţa faţă de Soare scade, datorită surplusului de energie două motoare vor putea fi folosite în paralel rezultând o forţă de tracţiune de până la 290 mN.
Deşi nu vine cu cifre spectaculoase în comparaţie cu propulsia clasică (prin prisma forţei de tracţiune rezultate), propulsia electrică are multe avantaje în cazul călătoriilor interplanetare. Acolo, unde nu este nevoie de manevre executate pe termen scurt, ci unde dimpotrivă lucrurile sunt bine planificate, o propulsie constantă, chiar dacă la valori mici, poate accelera un satelit la viteze suficient de mari (prin timpul de acţiune lung).
Folosirea unei propulsii electrice la bordul lui BepiColombo scade riscul unei singure manevre de anvergură şi oferă posibilitatea modificării din mers a scenariului.
Astfel prin folosirea ei intensivă se poate salva foarte mult din combustibilul clasic. În principiu, dacă lucrurile merg cum trebuie, la sosirea în apropierea lui Mercur, BepiColombo va avea o viteză suficient de mică pentru a uşura capturarea naturală de către planetă.
Vor fi desigur necesare manevre suplimentare executate cu propulsia chimică, dar acestea vor fi de mai mică anvergură şi oricum nu critice ca în cazul lui Messenger- respectiv un delta-v de 325 m/s în cazul lui MMO şi 620 m/s în cazul lui MPO.
De aceea este foarte probabil că cea mai mare parte a combustibilului de care dispun cei 2 sateliţi să rămână neatins şi astfel, dacă electronică de bord se va comporta la nivelul aşteptărilor, misiunea se va putea extinde cu încă un an faţă de durată de viaţă nominală.
Evident acest lucru nu poate decât să bucure comunitatea ştiinţifică pentru că va însemna o colecţie mai mare de date şi implicit o mai bună cunoaştere a vecinului nostru din sistemul solar.
Dacă este să ne referim la constrângerile tehnice impuse celor doi sateliţi – ele sunt aceleaşi despre care am discutat şi în cazul lui Messenger. În primul rând emisia ce vine dinspre Soare şi care va putea atinge valori de până la 14kW/m2 şi cea care vine dinspre suprafaţa lui Mercur- cu valori până la 6kW/m2.
Pentru a le face faţă, proiectanţii lui Messenger au trebuit să redeseneze orbita satelitului alegând o traiectorie eliptică inalta- astfel că satelitul să se apropie de suprafaţa doar pentru o scurtă perioadă petrecând doar 5% din perioada orbitală în condiţii de solicitare termică maximă. Astfel, în restul orbitei, există suficient timp pentru radierea surplusului de căldură înmagazinat în structura satelitului. Acest lucru are însă şi dezavantajul că perioadele care permit observaţii la rezoluţii maxime sunt limitate.
În cazul lui MPO proiectanţii europeni au împins limitele tehnologice, apogeul orbitei a scăzut la 1508 km şi astfel satelitul va trebui să petreacă mult mai mult timp în apropierea planetei. În acest caz stabilizarea în zbor va fi esenţială şi cum 5 din cele 6 fete ale satelitului vor fi iluminate în condiţiile non-eclipsa- pe cea de a şasea s-a ales să se monteze un radiator de căldură. Pentru a funcţiona însă în bune condiţii acesta trebuie ferit de acţiunea directă a Soarelui iar sistemul AOCS va trebui să rezolve autonom (dată fiind comunicaţia dificilă cu staţiile de sol) această problemă.
Pentru MMO proiectanţii japonezi au ales să copieze soluţia americană cu panouri solare ce funcţionează în ambele sensuri – si cu rolul de a capta energie dar şi cu rolul de a reflecta - astfel că 50% din celulele panoului sunt celule solare în timp ce celelalte 50% sunt oglinzi (OSR- optical solar reflectors). Tot de la Messenger s-a păstrat şi ideea montării unui scut termic care ar trebui să limiteze acţiunea razelor solare.
În ambele cazuri va fi însă vorba de un sistem complex de protecţie termică atât activa cât şi pasivă ce va face loc unor noi materiale compozite, rezistente la variaţiile de temperatură şi la degradarea în timp.
Odată cu BepiColombo vom avea posibilitatea să testăm în zbor real aceste noi materiale, iar Europa spera că aceste tehnologii să justifice investiţia şi să radieze în scurtă vreme şi în alte domenii ale industriei de pe bătrânul continent.
Trăgând o concluzie a călătoriei noastre virtuale spre Mercur nu putem decât să spunem că 2020 este un termen îndepărtat şi că până atunci va trebui să ne mulţumim cu imaginile şi datele venite de la sondă Messenger.
Că iubitori ai ştiinţei speram desigur că aceste două misiuni nu vor rămâne singulare şi că în pofida constrângerilor financiare curiozitatea ştiinţifică va învinge şi ele vor fi urmate şi de alte explorări.
Sfârşit
Articolul original: www.spacealliance.ro
