Marinero 1

Mariner 1, construido para realizar el primer sobrevuelo planetario estadounidense de Venus, fue la primera nave espacial del programa Mariner interplanetario de la NASA. Desarrollado por Jet Propulsion Laboratory, y originalmente planeado para ser una sonda especialmente diseñada lanzada en el verano de 1962, el diseño del Mariner 1 se cambió cuando el Centaur no estuvo disponible en esa fecha temprana. Mariner 1 (y su nave espacial hermana, Mariner 2), se adaptaron luego de la nave espacial lunar más ligera Ranger. Mariner 1 llevó a cabo una serie de experimentos para determinar la temperatura de Venus y medir los campos magnéticos y las partículas cargadas cerca del planeta y en el espacio interplanetario.

El Mariner 1 fue lanzado por un cohete Atlas-Agena desde el Pad 12 de Cabo Cañaveral el 22 de julio de 1962. Poco después del despegue, errores en la comunicación entre el cohete y sus sistemas de guía terrestres hicieron que el cohete virara. por supuesto, y tuvo que ser destruido por la seguridad del rango. Los errores pronto se atribuyeron a la omisión de un símbolo en forma de guión de uno de los caracteres del programa de orientación. El autor de ciencia ficción Arthur C. Clarke describió el error como "el guión más caro de la historia".

Antecedentes

Trayectoria Mariner II proyectada en el plano eclíptico.

Con el advenimiento de la Guerra Fría, las dos entonces superpotencias, Estados Unidos y la Unión Soviética, iniciaron ambiciosos programas espaciales con la intención de demostrar dominio militar, tecnológico y político. Los soviéticos lanzaron el Sputnik 1, el primer satélite en órbita terrestre, el 4 de octubre de 1957. Los estadounidenses hicieron lo mismo con el Explorer 1 el 1 de febrero de 1958, momento en el que los soviéticos ya habían lanzado el primer animal en órbita, Laika en el Sputnik 2. Una vez alcanzada la órbita de la Tierra, el enfoque se centró en ser el primero en llegar a la Luna. El programa Pioneer de satélites consistió en tres intentos lunares fallidos en 1958. A principios de 1959, el Luna 1 soviético fue la primera sonda en volar por la Luna, seguida por Luna 2, el primer objeto artificial en impactar la Luna.

Con la Luna lograda, las superpotencias volvieron sus ojos a los planetas. Como el planeta más cercano a la Tierra, Venus presentó un atractivo objetivo de vuelo espacial interplanetario. Cada 19 meses, Venus y la Tierra alcanzan posiciones relativas en sus órbitas alrededor del Sol, de modo que se requiere un mínimo de combustible para viajar de un planeta a otro a través de una órbita de transferencia de Hohmann. Estas oportunidades marcan el mejor momento para lanzar naves espaciales exploratorias, que requieren la menor cantidad de combustible para realizar el viaje.

La primera oportunidad de este tipo de la carrera espacial se produjo a finales de 1957, antes de que ninguna de las dos superpotencias tuviera la tecnología para aprovecharla. La segunda oportunidad, alrededor de junio de 1959, se encontraba justo al borde de la viabilidad tecnológica, y el Laboratorio de Tecnología Espacial (STL) del contratista de la Fuerza Aérea de los EE. UU. Tenía la intención de aprovecharla. Un plan redactado en enero de 1959 involucró dos naves espaciales evolucionadas a partir de las primeras sondas Pioneer, una para ser lanzada a través del cohete Thor-Able, la otra a través del Atlas-Able aún no probado. STL no pudo completar las pruebas antes de junio y se perdió la ventana de lanzamiento. La sonda Thor-Able se reutilizó como el explorador del espacio profundo Pioneer 5, que se lanzó el 11 de marzo de 1960 y se diseñó para mantener las comunicaciones con la Tierra hasta una distancia de 20 000 000 mi (32 000 000 km) mientras viajaba hacia la órbita de Venus. (El concepto de sonda Atlas Able se reutilizó como las sondas Pioneer Atlas Moon fallidas). No se enviaron misiones estadounidenses durante la oportunidad de principios de 1961. La Unión Soviética lanzó Venera 1 el 12 de febrero de 1961 y del 19 al 20 de mayo se convirtió en la primera sonda en volar por Venus; sin embargo, había dejado de transmitir el 26 de febrero.

Para la oportunidad de lanzamiento del verano de 1962, la NASA contrató al Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) en julio de 1960 para desarrollar 'Mariner A', una nave espacial de 570 kg (1,250 lb) que se lanzará utilizando el Atlas aún sin desarrollar. Centauro. En agosto de 1961, quedó claro que el Centaur no estaría listo a tiempo. JPL le propuso a la NASA que la misión podría llevarse a cabo con una nave espacial más liviana utilizando el Atlas-Agena menos poderoso pero operativo. Se sugirió un híbrido de explorador lunar Mariner A y Block 1 Ranger del JPL, que ya está en desarrollo. La NASA aceptó la propuesta y el JPL inició un programa acelerado de 11 meses para desarrollar el 'Mariner R'. (llamado así porque era un derivado de Ranger). Mariner 1 fue el primer Mariner R que se lanzó.

Nave espacial

Se construyeron tres naves espaciales Mariner R: dos para lanzamiento y una para realizar pruebas, que también se usaría como repuesto. Además de sus capacidades científicas, Mariner también tuvo que transmitir datos a la Tierra desde una distancia de más de 42 000 000 mi (42 000 000 km) y sobrevivir a la radiación solar dos veces más intensa que la que se encuentra en la órbita terrestre.

Estructura

Diagrama de Marinero 1

Las tres naves espaciales Mariner R, incluida la Mariner 1, pesaban dentro de las 3 lb (1,4 kg) del peso de diseño de 447 lb (203 kg), de los cuales 406 lb (184 kg) se destinaron a sistemas no experimentales: sistemas de maniobra, combustible y equipos de comunicaciones para recibir comandos y transmitir datos. Una vez desplegada por completo en el espacio, con sus dos paneles solares 'alas' extendido, el Mariner R tenía 12 pies (3,7 m) de altura y 16,5 pies (5,0 m) de ancho. El cuerpo principal de la nave era hexagonal con seis cajas separadas de equipos electrónicos y electromecánicos:

• Dos de los casos comprendían el sistema de energía: conmutador que regulaba y transmitía la energía de las 9800 células solares a la batería de almacenamiento recargable de 1000 vatios de plata-zinc de 33.3 lb (15.1 kg).
• Dos más incluyeron el receptor de radio, el transmisor de tres vatios y sistemas de control para los experimentos de Mariner.
• El quinto caso contenía electrónica para digitalizar los datos analógicos recibidos por los experimentos de transmisión.
• El sexto caso llevó los tres giroscopios que determinaron la orientación de Mariner en el espacio. También sostuvo el ordenador central y secuenciador, el "cerebro" de la nave espacial que coordinó todas sus actividades de acuerdo con el código en sus bancos de memoria y en un horario mantenido por un reloj electrónico sintonizado en equipo en la Tierra.

En la parte trasera de la nave espacial, se montó un motor de cohete monopropulsor (hidrazina anhidra) de 225 N para corregir el rumbo. Un sistema estabilizador alimentado con gas nitrógeno de diez boquillas de chorro controladas por los giroscopios a bordo, sensores solares y sensores terrestres, mantuvo al Mariner correctamente orientado para recibir y transmitir datos a la Tierra.

La antena parabólica principal de alta ganancia también se montó en la parte inferior del Mariner y se mantuvo apuntando hacia la Tierra. Una antena omnidireccional en la parte superior de la nave espacial transmitiría en ocasiones que la nave espacial estaba rodando o dando tumbos fuera de su orientación adecuada, para mantener el contacto con la Tierra; como antena desenfocada, su señal sería mucho más débil que la principal. Mariner también montó pequeñas antenas en cada una de las alas para recibir comandos de las estaciones terrestres.

El control de la temperatura era pasivo, con componentes aislados y altamente reflectantes; y activo, incorporando lamas para proteger la caja que lleva el ordenador de a bordo. En el momento en que se construyeron los primeros Mariners, no existía ninguna cámara de prueba para simular el entorno solar cercano a Venus, por lo que la eficacia de estas técnicas de enfriamiento no se pudo probar hasta la misión en vivo.

Paquete científico

Antecedentes

En el momento del inicio del proyecto Mariner, pocos de Venus' definitivamente se conocían las características. Su atmósfera opaca impedía el estudio telescópico del suelo. Se desconocía si había agua debajo de las nubes, aunque se había detectado una pequeña cantidad de vapor de agua sobre ellas. La tasa de rotación del planeta era incierta, aunque los científicos del JPL habían concluido a través de la observación de radar que Venus rotaba muy lentamente en comparación con la Tierra, avanzando la hipótesis de larga data (pero finalmente refutada) de que el planeta estaba bloqueado por mareas con respecto a la Tierra. Sol (como es la Luna con respecto a la Tierra). No se había detectado oxígeno en Venus' atmósfera, lo que sugiere que la vida tal como existió en la Tierra no estaba presente. Se había determinado que Venus' La atmósfera contenía al menos 500 veces más dióxido de carbono que la Tierra. Estos niveles comparativamente altos sugirieron que el planeta podría estar sujeto a un efecto invernadero descontrolado con temperaturas superficiales de hasta 600 K (327 °C; 620 °F), pero esto aún no se había determinado de manera concluyente.

La nave espacial Mariner podría verificar esta hipótesis midiendo la temperatura de cerca de Venus; al mismo tiempo, la nave espacial pudo determinar si había una disparidad significativa entre las temperaturas diurnas y nocturnas. Un magnetómetro a bordo y un conjunto de detectores de partículas cargadas podrían determinar si Venus poseía un campo magnético apreciable y un análogo a los cinturones de Van Allen de la Tierra.

Como la nave espacial Mariner pasaría la mayor parte de su viaje a Venus en el espacio interplanetario, la misión también ofreció una oportunidad para la medición a largo plazo del viento solar de partículas cargadas y para mapear las variaciones en la magnetosfera del Sol.. También se podría explorar la concentración de polvo cósmico más allá de la vecindad de la Tierra.

Experimentos

Los experimentos para la medición de Venus y el espacio interplanetario incluyeron:

• Un micrófono de cristal para la medición de la densidad del polvo cósmico, montado en el marco central.
• Un detector de protones para contar protones de baja energía en el viento solar, también montado en el marco central.
• Dos tubos Geiger-Müller (GM) y una cámara de iones, para medir partículas cargadas de alta energía en el espacio interplanetario y en el equivalente Venusiano de las correas de Van Allen de la Tierra (que más tarde se mostraron no existir). Estos fueron montados en el eje largo de Mariner para evitar los campos magnéticos del equipo de control, así como la radiación secundaria causada por los rayos cósmicos golpeando la estructura metálica de la nave espacial.
• Un tubo GM de uso especial Anton, para medir la radiación de energía inferior, especialmente cerca de Venus, también montado lejos del marco central.
• Un magnetómetro de tres ejes para medir los campos magnéticos del Sol y Venus, también montado lejos del marco central.
• Un radiometro de microondas, un diámetro de 20 en (510 mm), 3 en (76 mm) de profundidad, antena parabólica diseñada para escanear Venus arriba y abajo en dos longitudes de onda de microondas (19 mm y 13.5mm), desacelerando y revirtiendo cuando encontró un punto caliente. La longitud de onda de 19 mm fue para medir la temperatura de la superficie del planeta mientras que la longitud de onda de 13.5 mm midió la temperatura de las nubes de Venus. El instrumento fue montado justo encima del marco central.
• Dos sensores ópticos infrarrojos para la medición paralela de la temperatura de Venus, uno a 8 a 9 micrones, el otro a 10-10.8 micrones, también montados sobre el marco central.

Ninguna de las naves espaciales Mariner R incluía una cámara para fotografías visuales. Dado que el espacio de carga útil es escaso, los científicos del proyecto consideraron que una cámara era un lujo innecesario, incapaz de proporcionar resultados científicos útiles. Carl Sagan, uno de los científicos de Mariner R, luchó sin éxito por su inclusión, señalando que no solo podría haber rupturas en Venus' capa de nubes, pero "que las cámaras también podrían responder preguntas que éramos demasiado tontos para siquiera plantear".

Plan de vuelo y operaciones en tierra

La estación de comunicaciones de Woomera

Se determinó que la ventana de lanzamiento de Mariner, restringida tanto por la relación orbital de la Tierra y Venus como por las limitaciones de Atlas Agena, caería en el período de 51 días entre el 22 de julio y el 10 de septiembre. El plan de vuelo de Mariner era tal que las dos naves espaciales operativas se lanzarían hacia Venus en un período de 30 días dentro de esta ventana, tomando caminos ligeramente diferentes, de modo que ambas llegarían al planeta objetivo con nueve días de diferencia, entre el 8 y el 16 de diciembre. Solo Cabo Cañaveral El Complejo de Lanzamiento 12 estaba disponible para el lanzamiento de cohetes Atlas-Agena, y tomó 24 días preparar un Atlas-Agena para el lanzamiento. Esto significaba que solo había un margen de error de 27 días para un programa de dos lanzamientos.

Cada Mariner se lanzaría a una órbita de estacionamiento, después de lo cual el Agena reiniciable dispararía por segunda vez, enviando al Mariner en su camino a Venus (los errores en la trayectoria se corregirían con una quema a mitad de camino de los Mariner a bordo motores). Seguimiento por radar en tiempo real de la nave espacial Mariner mientras estaba en órbita de estacionamiento y, al partir, el Campo de Misiles del Atlántico proporcionaría seguimiento por radar en tiempo real con estaciones en Ascension y Pretoria, mientras que el Observatorio Palomar proporcionó seguimiento óptico. Tres estaciones de seguimiento y comunicaciones en Goldstone, California, Woomera, Australia y Johannesburgo, Sudáfrica, proporcionaron apoyo en el espacio profundo, cada una separada en el globo alrededor de 120° para una cobertura continua.

Error de lanzamiento

Atlas Agena con Mariner 1

El lanzamiento del Mariner 1 estaba programado para la madrugada del 21 de julio de 1962. Varios retrasos causados por problemas en el sistema de comando de seguridad del campo retrasaron el comienzo de la cuenta regresiva hasta las 11:33 p. m. EST la noche anterior. A las 2:20 a. m., solo 79 minutos antes del lanzamiento, un fusible quemado en los circuitos de seguridad del campo de tiro provocó la cancelación del lanzamiento. La cuenta regresiva se reinició esa noche y continuó, con varias esperas, planificadas y no planificadas, desde las 11:08 p. m. hasta la madrugada del día siguiente.

A las 9:21:23 a. m. del 22 de julio de 1962, el Atlas-Agena del Mariner 1 despegó de la plataforma 12. Poco después del lanzamiento, el propulsor comenzó a desplazarse hacia el noreste de su trayectoria planificada. Se enviaron comandos de dirección correctivos al cohete, pero el Atlas-Agena se desvió aún más de su curso, poniendo en peligro la navegación del Océano Atlántico Norte y/o las áreas habitadas en caso de un choque del cohete. A las 9:26:16 a.m., solo seis segundos antes de que la segunda etapa del Agena se separara del Atlas, momento en el cual la destrucción del cohete sería imposible, un oficial de seguridad del campo ordenó que el cohete se autodestruyera, lo cual hizo..

Causa del mal funcionamiento

Debido a la desviación gradual en lugar de brusca de su curso, los ingenieros del JPL sospecharon que la falla estaba en las ecuaciones de vuelo cargadas en la computadora que guió al Atlas-Agena desde el suelo durante su ascenso. Después de cinco días de análisis posteriores al vuelo, los ingenieros del JPL determinaron qué había causado el mal funcionamiento del Mariner 1: un error en la lógica de la computadora de guía combinado con una falla de hardware.

Las ecuaciones de guía escritas a mano contenían el símbolo "R" (para "radio"). Este "R" debería haber tenido una línea encima ("R-bar" o R̄), que denota el suavizado o el promedio de los datos de la pista provenientes de un cálculo anterior. Pero faltaba la barra, por lo que el programa de computadora basado en esas ecuaciones era incorrecto. Esto no fue un error en la programación, sino un error en la especificación.

Durante su ascenso, el propulsor del Mariner 1 perdió brevemente el bloqueo de guía con el suelo. Debido a que esto era una ocurrencia bastante común, el Atlas-Agena fue diseñado para continuar en un curso preprogramado hasta que se reanudara el bloqueo de guía con el suelo. Sin embargo, cuando se restableció el bloqueo, la lógica de guía defectuosa hizo que el programa informara erróneamente que la "velocidad fluctuaba de manera errática e impredecible", lo que el programa intentó corregir, lo que provocó un comportamiento errático real, que incitó al oficial de seguridad del campo a destruir el cohete.

La lógica incorrecta se había utilizado previamente con éxito para lanzamientos de Ranger; fue la combinación de un error de programación y una falla de hardware lo que condujo a la destrucción de Mariner.

Los efectos catastróficos de un pequeño error "resumieron todo el problema de la confiabilidad del software" y contribuyó al desarrollo de la disciplina de la ingeniería de software.

Relatos populares posteriores del accidente a menudo se referían al carácter erróneo como un "guion" (que describe el componente faltante del símbolo) en lugar de una "barra R"; esta caracterización errónea incorrecta fue alimentada por la descripción de Arthur C. Clarke del mal funcionamiento como "el guión más caro de la historia".

Legado

La pérdida de la primera nave espacial interplanetaria de Estados Unidos supuso un revés de 18,5 millones de dólares (166 millones de dólares en dólares actuales) para la NASA. El incidente subrayó la importancia de una depuración exhaustiva previa al lanzamiento del software, así como la necesidad de diseñar programas de tal manera que los errores menores no puedan causar fallas catastróficas. Los procedimientos implementados como resultado sirvieron bien a la NASA, salvando en última instancia los alunizajes del Proyecto Apolo; aunque hubo errores de programa en el software del Módulo de Excursión Lunar durante el descenso, no causaron el fracaso de la misión.

Con el error lógico descubierto rápidamente, no fue necesaria ninguna demora indebida. El Mariner 2 idéntico ya estaba disponible, y un segundo lanzamiento desde la misma plataforma era manejable antes de fines de agosto. El 27 de agosto de 1962, la nave espacial hermana Mariner 1 se lanzó con éxito, convirtiéndose el 14 de diciembre de 1962 en la primera nave espacial en enviar datos desde las cercanías de Venus.