Van een persbericht van een Goddard Space Flight Center:
Ze zijn bijna aangekomen.
Het duurde anderhalf jaar, meer dan 90 baanmanoeuvres en - wonderbaarlijk - veel zwaartekrachtboosts en slechts het kleinste beetje brandstof om twee ruimtevaartuigen van hun baan om de aarde naar hun nieuwe huis rond de maan te verplaatsen.
Tijdens hun reizen heeft het ruimtevaartuig door banen gezeten die nog nooit eerder zijn geprobeerd en mooie krulsprongen van de ene baan naar de andere maakten. Deze zomer zullen de twee ARTEMIS-ruimtevaartuigen - die hun leven begonnen als onderdeel van de THEMIS-missie met vijf schepen die de aurora van de aarde bestudeert - in plaats daarvan om de maan gaan draaien. THEMIS is een acroniem voor de tijdgeschiedenis van gebeurtenissen en macroschaalinteractie tijdens substorms-ruimtevaartuigen.
Zelfs met NASA's decennia aan ervaring met baanmechanica, was deze reis niet eenvoudig. De reis vereiste verschillende manoeuvres die nog nooit eerder waren geprobeerd, waaronder enkele maanden waarin elk vaartuig zich in een niervormig pad aan weerszijden van de maan bewoog, nou, niets anders dan een zwaartekrachtspunt in de ruimte gemarkeerd door geen fysieke planeet of object.
"Niemand heeft deze baan ooit eerder geprobeerd, het is een baan om de maan en de aarde," zegt David Folta, een vluchtdynamica-ingenieur bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, MD. "Het is een zeer onstabiele baan die dagelijkse aandacht en constante aanpassingen vereist . '
De reis voor ARTEMIS - afkorting van Acceleration, Reconnection, Turbulence and Electrodynamics of the Moon's Interaction with the Sun - begon in 2009, nadat THEMIS ongeveer twee jaar wetenschappelijke gegevensverzameling had voltooid over de magnetische omgeving rond de aarde, het noorderlicht en hoe deze worden beïnvloed door de zon.
Het ruimtevaartuig werkt op zonne-energie, maar de banen van de twee buitenste THEMIS-ruimtevaartuigen waren in de loop van de tijd uitgegleden en zouden worden blootgesteld aan regelmatige periodes van acht uur duisternis. Dit ruimtevaartuig zou tot drie uur zonder zonlicht kunnen weerstaan, maar bij zoveel duisternis zouden de batterijen al snel volledig leeg zijn.
Teams van UC-Berkeley en Goddard zorgden voor de dagelijkse controle van het THEMIS-ruimtevaartuig. De hoofdonderzoeker van de missie, Vassilis Angelopoulos van UCLA, sprak met de teams over het verplaatsen van de twee ruimtevaartuigen naar de maan om de magnetische omgeving daar te bestuderen. Maar snelle modellen van een conventionele boost-techniek toonden aan dat alle resterende brandstof gewoon tijdens het transport zou worden gebruikt. Er zou niet genoeg overblijven voor het brandstof-hongerige proces van het aanpassen van richting en snelheid om daadwerkelijk rond de maan te gaan cirkelen.
Dus Angelopoulos stelde een nieuw, complexer meerjarig plan voor baanverandering op. De beweging zou voornamelijk steunen op zwaartekrachtassistenten van de maan en de aarde om het ruimtevaartuig op zijn plaats te brengen. Hij bracht zijn idee naar twee ingenieurs die in de eerste plaats betrokken waren geweest bij de lancering van THEMIS: David Folta en een andere boordwerktuigkundige bij Goddard, Mark Woodard. Het paar gebruikte hun eigen modellen om dit nieuwe ontwerp te valideren en het plan was aan de gang.
Eerste stap: vergroot de afmetingen van de banen. De oorspronkelijke op de aarde gerichte banen bereikten amper halverwege de maan. Door kleine hoeveelheden brandstof te gebruiken om de snelheid en richting op precieze momenten in de baan aan te passen, werd het ruimtevaartuig steeds verder de ruimte in gekatapulteerd. Er waren vijf van dergelijke aanpassingen nodig voor ARTEMIS P1 en 27 voor ARTEMIS P2.
Volgende stap: maak de sprong van de baan om de aarde naar de lastige niervormige 'Lissajous'-baan, omcirkel een zogenaamd Lagrangiaans punt aan elke kant van de maan. Deze punten zijn de plaatsen waar de zwaartekracht tussen de aarde en de maan elkaar in evenwicht houdt - het punt biedt eigenlijk geen fysieke entiteit om rond te cirkelen. ARTEMIS P1 maakte op 25 augustus 2010 de sprong - in een prachtige boog onder en rond de maan - naar het Lagrangiaanse punt aan de andere kant van de maan. Het tweede vaartuig maakte de sprong naar de nabije kant van de maan op 22 oktober. Deze overdracht vereiste een complexe reeks manoeuvres, waaronder maanzwaartekrachtassistenten, aardse zwaartekrachtassistenten en deep space manoeuvres. De combinatie van deze manoeuvres was niet alleen nodig om op de juiste plek bij de maan te komen, maar ook op de juiste tijd en snelheid.
Met behulp van een reeks aardse en maanzwaartekrachtassistenten - en slechts het kleinste beetje brandstof - kwam het ARTEMIS-ruimtevaartuig in de winter van 2010 in een baan rond de Lagrangiaanse punten van de maan. Krediet: NASA Goddard Space Flight Center / Scientific Visualization Studio
Er is geschiedenis geschreven. Talrijke satellieten cirkelen Lagrangiaanse punten tussen de aarde en de zon, maar hoewel deze baan uitgebreid was bestudeerd, was deze nog nooit eerder geprobeerd.
Dit was niet alleen een technische prestatie op zich, maar het ruimtevaartuig bevond zich nu op een ideale plek om magnetisme op enige afstand van de maan te bestuderen. In deze positie konden ze zien hoe de zonnewind - samengesteld uit geïoniseerd gas dat bekend staat als plasma - langs de maan stroomt en probeert het vacuüm aan de andere kant op te vullen. Een taak die ingewikkeld wordt gemaakt omdat het plasma door de magnetische velden wordt gedwongen langs bepaalde paden te reizen.
"Het is een ware dierentuin met plasmafenomenen", zegt David Sibeck, de projectmanager voor THEMIS en ARTEMIS bij Goddard. "De maan snijdt een holte uit in de zonnewind en dan kunnen we kijken hoe dat zich vult. Het is allesbehalve saai. Er is microfysica en deeltjesfysica en interactie van golfdeeltjes en grenzen en lagen. Alle dingen die we nog niet eerder hebben kunnen bestuderen in het plasma. "
Het leven van de boordwerktuigkundigen was ook allesbehalve saai. Iets in een baan rond een plek houden die weinig te markeren heeft, behalve de zwaartekracht, is geen eenvoudige taak. Het ruimtevaartuig vereiste regelmatige correcties om het op koers te houden en Folta en Woodard keken er dagelijks naar.
"We zouden elke dag rond 9 uur bijgewerkte baaninformatie krijgen", zegt Woodard. "We zouden dat door onze software halen en een schatting krijgen van wat onze volgende manoeuvre zou moeten zijn. We zouden heen en weer gaan met Berkeley en samen zouden we een manoeuvre valideren totdat we wisten dat het zou werken en ons nog een week zou laten vliegen. "
Het team heeft geleerd van ervaring. Kleine aanpassingen hadden vaak grotere gevolgen dan verwacht. Uiteindelijk vonden ze de optimale plaatsen waar correcties later minder fijnafstemming leken te vereisen. Deze mooie plekken kwamen telkens wanneer het ruimtevaartuig een denkbeeldige lijn kruiste die de aarde en de maan met elkaar verbond, hoewel niets in theorieën zoiets had voorspeld.
De dagelijkse waakzaamheid bleek cruciaal. Op 14 oktober veranderde de baan en de houding van het P1-ruimtevaartuig onverwacht. De eerste gedachte was dat het volgsysteem mogelijk is mislukt, maar dat leek niet het probleem te zijn. Het ARTEMIS-team merkte echter ook op dat het hele vaartuig ongeveer 0,001 omwentelingen per minuut sneller begon te draaien. Een van de instrumenten die elektrische velden meet, stopte ook met werken. Beste gok? De bol aan het einde van de 82-voetboom van dat instrument was afgebroken - misschien omdat hij ergens door was geraakt. Die bol was slechts drie ons op een ruimtevaartuig dat bijna 190 pond woog - maar het paste de snelheid van ARTEMIS P1 voldoende aan, zodat ze de afwijking zelfs een paar dagen later zouden hebben verspild om een onbetaalbare hoeveelheid brandstof te verspillen om weer op koers te komen.
Zoals het is, zal ARTEMIS de maan halen met nog meer brandstof dan oorspronkelijk werd geschat. Er zal genoeg brandstof zijn voor baancorrecties gedurende zeven tot tien jaar en dan genoeg over om de twee vaartuigen naar de maan te brengen.
'We zijn heel blij met het werk van de missieplanners', zegt Sibeck. 'Ze brengen ons veel dichter bij de maan dan we hadden kunnen hopen. Dat is cruciaal voor het leveren van hoogwaardige gegevens over het interieur van de maan, de samenstelling van het oppervlak en of er magnetisme aanwezig is. "
Op 9 januari 2011 sprong ARTEMIS P1 over de maan en sloot zich aan bij ARTEMIS P2 aan de kant van de maan die zich het dichtst bij de aarde bevond. Nu gaan de laatste stappen beginnen.
Op 27 juni draait P1 naar de maan toe en komt in een baan om de maan. Op 17 juli volgt P2. P2 zal in dezelfde richting reizen als de maan, of in een programma; P1 beweegt in tegengestelde richting, retrograde.
"We volgen ARTEMIS elke dag en ontwikkelen elke week manoeuvres. Het is een uitdaging geweest, maar we hebben een aantal geweldige dingen ontdekt ', zegt Folta, die zijn aandacht nu zal richten op andere NASA-vluchten zoals de MAVEN-missie naar Mars die gepland staat voor lancering in 2013.' Maar binnenkort zullen we klaar met dit laatste manoeuvreren en, nou ja, we zullen weer gewoon ARTEMIS-consultants zijn. ”
Zie aanvullende ARTEMIS-beelden en video op deze link.
Geschreven door Karen C. Fox bij GSFC.
