Espacio profundo 1
Deep Space 1 (DS1) fue una nave espacial de demostración de tecnología de la NASA que sobrevoló un asteroide y un cometa. Formaba parte del Programa Nuevo Milenio, dedicado a probar tecnologías avanzadas.
Lanzada el 24 de octubre de 1998, la nave espacial Deep Space 1 realizó un sobrevuelo del asteroide 9969 Braille, que era su principal objetivo científico. La misión se amplió dos veces para incluir un encuentro con el cometa 19P/Borrelly y más pruebas de ingeniería. Los problemas durante sus etapas iniciales y con su rastreador de estrellas llevaron a cambios repetidos en la configuración de la misión. Si bien el sobrevuelo del asteroide fue solo un éxito parcial, el encuentro con el cometa recuperó información valiosa.
La serie Deep Space fue continuada por las sondas Deep Space 2, que se lanzaron en enero de 1999 a cuestas en el Mars Polar Lander y estaban destinadas a golpear la superficie de Marte (aunque se perdió el contacto y la misión fracasó). Deep Space 1 fue la primera nave espacial de la NASA en utilizar propulsión iónica en lugar de los tradicionales cohetes propulsados por productos químicos.
Tecnologías
El propósito de Deep Space 1 era el desarrollo de tecnología y la validación para futuras misiones; Se probaron 12 tecnologías:
- Propulsión eléctrica solar
- Concentrador solar Arrays
- Multifuncional Estructura
- Espectrometer integrado de cámara e imágenes miniatura
- Ion and Electron Spectrometer
- Transpondedor espacial profundo pequeño
- Amplificador de potencia de estado sólido Ka-Band
- Operaciones de Monitor de Beacon
- Agente remoto autónomo
- Electrónica de baja potencia
- Módulo de encendido y conmutación
- Navegación autónoma
Navegación automática
El sistema Autonav, desarrollado por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, toma imágenes de asteroides brillantes conocidos. Los asteroides del Sistema Solar interior se mueven en relación con otros cuerpos a una velocidad perceptible y predecible. Por lo tanto, una nave espacial puede determinar su posición relativa rastreando tales asteroides a través del fondo estelar, que parece fijo en tales escalas de tiempo. Dos o más asteroides permiten que la nave espacial triangule su posición; dos o más posiciones en el tiempo permiten que la nave espacial determine su trayectoria. Las naves espaciales existentes son rastreadas por sus interacciones con los transmisores de la Red de Espacio Profundo (DSN) de la NASA, en efecto, un GPS inverso. Sin embargo, el seguimiento de DSN requiere muchos operadores capacitados, y el DSN está sobrecargado por su uso como red de comunicaciones. El uso de Autonav reduce el costo de la misión y las demandas de DSN.
El sistema Autonav también se puede utilizar a la inversa, rastreando la posición de los cuerpos en relación con la nave espacial. Esto se utiliza para adquirir objetivos para los instrumentos científicos. La nave espacial está programada con la ubicación aproximada del objetivo. Después de la adquisición inicial, Autonav mantiene al sujeto encuadrado, incluso requisando el control de actitud de la nave espacial. La siguiente nave espacial en utilizar Autonav fue Deep Impact.
Panel solar de concentración SCARLET
La energía primaria para la misión fue producida por una nueva tecnología de matriz solar, la matriz de concentración solar con tecnología de elementos lineales refractivos (SCARLET), que utiliza lentes de Fresnel lineales hechos de silicona para concentrar la luz solar en las celdas solares. ABLE Engineering desarrolló la tecnología de concentrador y construyó la matriz solar para DS1, con Entech Inc, que suministró la óptica Fresnel, y el Centro de Investigación Glenn de la NASA. La actividad fue patrocinada por la Organización de Defensa de Misiles Balísticos, desarrollada originalmente para la carga útil SSI - Conestoga 1620, METEOR. La tecnología de lentes de concentración se combinó con celdas solares de doble unión, que tenían un rendimiento considerablemente mejor que las celdas solares de GaAs que eran lo más avanzado en el momento del lanzamiento de la misión.
Los arreglos SCARLET generaron 2,5 kilovatios a 1 AU, con menos tamaño y peso que los arreglos convencionales.
Motor iónico NSTAR
Aunque los motores de iones se habían desarrollado en la NASA desde fines de la década de 1950, con la excepción de las misiones SERT en la década de 1960, la tecnología no se había demostrado en vuelo en naves espaciales de los Estados Unidos, aunque se habían utilizado cientos de motores de efecto Hall. en naves espaciales soviéticas y rusas. Esta falta de un historial de rendimiento en el espacio significó que, a pesar de los ahorros potenciales en la masa propulsora, la tecnología se consideró demasiado experimental para ser utilizada en misiones de alto costo. Además, los efectos secundarios imprevistos de la propulsión iónica podrían interferir de alguna manera con los experimentos científicos típicos, como las mediciones de campos y partículas. Por lo tanto, fue una misión principal de la demostración Deep Space 1 mostrar el uso prolongado de un propulsor de iones en una misión científica.
El propulsor de iones electrostáticos de NASA Solar Technology Application Readiness (NSTAR), desarrollado en NASA Glenn, logra un impulso específico de 1000 a 3000 segundos. Este es un orden de magnitud mayor que los métodos tradicionales de propulsión espacial, lo que resulta en un ahorro masivo de aproximadamente la mitad. Esto conduce a vehículos de lanzamiento mucho más baratos. Aunque el motor produce solo 92 milinewtons (0,33 ozf) de empuje a máxima potencia (2100 W en el DS1), la nave alcanzó altas velocidades porque los motores iónicos empujan continuamente durante largos períodos.
La siguiente nave espacial en usar motores NSTAR fue Dawn, con tres unidades redundantes.
Agente remoto
Remote Agent (RAX), software de autorreparación inteligente remoto desarrollado en el Centro de Investigación Ames de la NASA y el Laboratorio de Propulsión a Chorro, fue el primer sistema de control de inteligencia artificial para controlar una nave espacial sin supervisión humana. Remote Agent demostró con éxito la capacidad de planificar actividades a bordo y diagnosticar y responder correctamente a fallas simuladas en componentes de naves espaciales a través de su entorno REPL incorporado. El control autónomo permitirá que las futuras naves espaciales operen a mayores distancias de la Tierra y lleven a cabo actividades científicas más sofisticadas en el espacio profundo. Los componentes del software Remote Agent se han utilizado para respaldar otras misiones de la NASA. Los principales componentes de Remote Agent fueron un planificador robusto (EUROPA), un sistema de ejecución de planes (EXEC) y un sistema de diagnóstico basado en modelos (Livingstone). EUROPA se utilizó como planificador terrestre para los Mars Exploration Rovers. EUROPA II se utilizó para apoyar el módulo de aterrizaje Phoenix Mars y el Mars Science Laboratory. Livingstone2 voló como un experimento a bordo de Earth Observing-1 y en un F/A-18 Hornet en el Dryden Flight Research Center de la NASA.
Monitor de baliza
Otro método para reducir las cargas de DSN es el experimento Beacon Monitor. Durante los largos períodos de crucero de la misión, las operaciones de las naves espaciales se suspenden esencialmente. En lugar de datos, Deep Space 1 transmitió una señal portadora en una frecuencia predeterminada. Sin decodificación de datos, la portadora podría ser detectada por antenas y receptores terrestres mucho más simples. Si DS1 detectaba una anomalía, cambiaba la portadora entre cuatro tonos, según la urgencia. Los receptores terrestres luego indican a los operadores que desvíen los recursos DSN. Esto evitó que los operadores calificados y el hardware costoso cuidaran de una misión sin cargas que operaba nominalmente. Se utilizó un sistema similar en la sonda Plutón New Horizons para mantener bajos los costos durante su viaje de diez años desde Júpiter a Plutón.
SDST
El Small Deep Space Transponder (SDST) es un sistema de radiocomunicaciones compacto y liviano. Además de usar componentes miniaturizados, el SDST es capaz de comunicarse en la banda Ka. Debido a que esta banda tiene una frecuencia más alta que las bandas actualmente en uso por las misiones en el espacio profundo, la misma cantidad de datos puede ser enviada por equipos más pequeños en el espacio y en tierra. Por el contrario, las antenas DSN existentes pueden dividir el tiempo entre más misiones. En el momento del lanzamiento, el DSN tenía una pequeña cantidad de receptores Ka instalados de forma experimental; Las operaciones y misiones de Ka están aumentando.
El SDST se usó más tarde en otras misiones espaciales como el Laboratorio de Ciencias de Marte (el rover Curiosity de Marte).
PEPE
Una vez en un objetivo, DS1 detecta el entorno de partículas con el instrumento PEPE (Experimento de plasma para la exploración planetaria). Este instrumento medía el flujo de iones y electrones en función de su energía y dirección. La composición de los iones se determinó utilizando un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo.
MICAS
El instrumento MICAS (cámara y espectrómetro integrado en miniatura) combinó imágenes de luz visible con espectroscopia infrarroja y ultravioleta para determinar la composición química. Todos los canales comparten un telescopio de 10 cm (3,9 pulgadas), que utiliza un espejo de carburo de silicio.
Tanto PEPE como MICAS tenían capacidades similares a los instrumentos o conjuntos de instrumentos más grandes de otras naves espaciales. Fueron diseñados para ser más pequeños y requerir menos energía que los utilizados en misiones anteriores.
Resumen de la misión
Espacio profundo 1· 9969 Braille· Tierra· 19P/Borrelly
Antes del lanzamiento, Deep Space 1 estaba destinado a visitar el cometa 76P/West–Kohoutek–Ikemura y el asteroide 3352 McAuliffe. Debido al retraso en el lanzamiento, los objetivos se cambiaron al asteroide 9969 Braille (en ese momento llamado 1992 KD) y al cometa 107P/Wilson-Harrington. Logró un sobrevuelo deteriorado de Braille y, debido a problemas con el rastreador de estrellas, fue reasignado para volar por el cometa 19P/Borrelly, lo cual tuvo éxito. Se consideró un sobrevuelo del asteroide 1999 KK1 en agosto de 2002 como otra misión extendida, pero finalmente no se adelantó debido a problemas de costos. Durante la misión también se tomaron espectros infrarrojos de alta calidad de Marte.
Resultados y logros
El motor de propulsión de iones falló inicialmente después de 4,5 minutos de funcionamiento. Sin embargo, más tarde se restauró a la acción y se desempeñó de manera excelente. Al principio de la misión, el material expulsado durante la separación del vehículo de lanzamiento provocó un cortocircuito en las rejillas de extracción de iones muy poco espaciadas. La contaminación finalmente se eliminó, ya que el material se erosionó por arco eléctrico, se sublimó por desgasificación o simplemente se permitió que se dispersara. Esto se logró reiniciando repetidamente el motor en un modo de reparación del motor, formando un arco a través del material atrapado.
Se pensó que el escape del motor de iones podría interferir con otros sistemas de la nave espacial, como las comunicaciones por radio o los instrumentos científicos. Los detectores de PEPE tenían una función secundaria para monitorear tales efectos del motor. No se encontraron interferencias, aunque el flujo de iones del propulsor impidió que PEPE observara iones por debajo de aproximadamente 20 eV.
Otro fallo fue la pérdida del rastreador de estrellas. El rastreador de estrellas determina la orientación de la nave espacial comparando el campo estelar con sus cartas internas. La misión se salvó cuando se reprogramó la cámara MICAS para sustituir al rastreador de estrellas. Aunque MICAS es más sensible, su campo de visión es un orden de magnitud más pequeño, lo que genera una mayor carga de procesamiento de información. Irónicamente, el rastreador de estrellas era un componente listo para usar, que se esperaba que fuera altamente confiable.
Sin un rastreador de estrellas en funcionamiento, el empuje de iones se suspendió temporalmente. La pérdida del tiempo de empuje forzó la cancelación de un sobrevuelo del cometa 107P/Wilson-Harrington.
El sistema Autonav requería correcciones manuales ocasionales. La mayoría de los problemas estaban en la identificación de objetos que eran demasiado oscuros o difíciles de identificar debido a que los objetos más brillantes causaban picos de difracción y reflejos en la cámara, lo que hacía que Autonav identificara erróneamente los objetivos.
El sistema Remote Agent se presentó con tres fallas simuladas en la nave espacial y manejó correctamente cada evento.
- una unidad electrónica fallida, que Remote Agent arregló reactivando la unidad.
- un sensor fallido que proporciona información falsa, que el Agente Remoto reconoció como poco confiable y por lo tanto correctamente ignorado.
- un propulsor de control de actitudes (un pequeño motor para controlar la orientación de la nave espacial) se atascó en la posición "off", que Remote Agent detectó e indemnizó al cambiar a un modo que no dependía de ese propulsor.
En general, esto constituyó una demostración exitosa de planificación, diagnóstico y recuperación totalmente autónomos.
El instrumento MICAS fue un éxito de diseño, pero el canal ultravioleta falló debido a una falla eléctrica. Más tarde en la misión, después de la falla del rastreador de estrellas, MICAS también asumió este deber. Esto provocó continuas interrupciones en su uso científico durante el resto de la misión, incluido el encuentro con el cometa Borrelly.
El sobrevuelo del asteroide 9969 Braille fue solo un éxito parcial. Deep Space 1 estaba destinado a realizar el sobrevuelo a 56 000 km/h (35 000 mph) a solo 240 m (790 pies) del asteroide. Debido a dificultades técnicas, incluido un bloqueo del software poco antes de la aproximación, la nave pasó por Braille a una distancia de 26 km (16 mi). Esto, sumado al albedo más bajo de Braille, significó que el asteroide no era lo suficientemente brillante para que Autonav enfocara la cámara en la dirección correcta, y la toma de imágenes se retrasó casi una hora. Las imágenes resultantes fueron decepcionantemente borrosas.
Sin embargo, el sobrevuelo del cometa Borrelly fue un gran éxito y arrojó imágenes extremadamente detalladas de la superficie del cometa. Estas imágenes tenían una resolución más alta que las únicas imágenes anteriores de un cometa: el cometa Halley, tomadas por la nave espacial Giotto. El instrumento PEPE informó que la interacción del viento solar del cometa se desplazó desde el núcleo. Se cree que esto se debe a la emisión de chorros, que no se distribuyeron uniformemente por la superficie del cometa.
A pesar de no tener escudos contra desechos, la nave espacial sobrevivió intacta al paso del cometa. Una vez más, los escasos chorros del cometa no parecían apuntar hacia la nave espacial. Deep Space 1 luego entró en su segunda fase de misión extendida, enfocada en volver a probar las tecnologías de hardware de la nave espacial. El enfoque de esta fase de la misión estaba en los sistemas de motores iónicos. La nave espacial finalmente se quedó sin combustible de hidracina para sus propulsores de control de actitud. El propulsor de iones altamente eficiente tenía una cantidad suficiente de propulsor para realizar el control de actitud además de la propulsión principal, lo que permitió que la misión continuara.
A finales de octubre y principios de noviembre de 1999, durante la fase de costa posterior al encuentro Braille de la nave espacial, Deep Space 1 observó Marte con su instrumento MICAS. Aunque este fue un sobrevuelo muy distante, el instrumento logró tomar múltiples espectros infrarrojos del planeta.
Estado actual
Deep Space 1 tuvo éxito en sus objetivos principales y secundarios, proporcionando valiosos datos científicos e imágenes. Los motores iónicos del DS1 se apagaron el 18 de diciembre de 2001 aproximadamente a las 20:00:00 UTC, lo que marcó el final de la misión. Las comunicaciones a bordo se configuraron para permanecer en modo activo en caso de que se necesitara la nave en el futuro. Sin embargo, los intentos de reanudar el contacto en marzo de 2002 no tuvieron éxito. Permanece dentro del Sistema Solar, en órbita alrededor del Sol.
Estadísticas
- Masa de lanzamiento: 486 kg (1.071 lb)
- Masa seca: 373 kg (822 lb)
- Combustible: 31 kg (68 lb) de hidracina para propulsores de control de actitudes; 82 kg (181 lb) de xenón para el motor NSTAR ion
- Potencia: 2.500 vatios, de los cuales 2.100 vatios potencia el motor iónico
- Primer contratista: Spectrum Astro, adquirido posteriormente por General Dynamics, y vendido más tarde a Orbital Sciences Corporation
- Vehículo de lanzamiento: Boeing Delta II 7326
- Sitio de lanzamiento: Cabo Canaveral Air Force Station Space Launch Complex 17A
- Costo total: 149,7 millones de dólares
- Costo de desarrollo: 94,8 millones de dólares
- Personal:
- Project manager: David Lehman
- Director de la Misión: Philip Varghese
- Ingeniero jefe de misión y subdirector de misión: Marc Rayman
- Científico del proyecto: Robert Nelson