Ulises (nave espacial)

Ulysses (yoo-LISS-eez, YOO-liss-eez) fue una sonda espacial robótica cuya misión principal era orbitar el Sol y estudiarlo en todas las latitudes.. Se lanzó en 1990 y realizó tres "exploraciones rápidas de latitud" del Sol en 1994/1995, 2000/2001 y 2007/2008. Además, la sonda estudió varios cometas. Ulysses fue una empresa conjunta de la Agencia Espacial Europea (ESA) y los Estados Unidos' Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA), bajo el liderazgo de la ESA con la participación del Consejo Nacional de Investigación de Canadá. El último día de operaciones de la misión en Ulysses fue el 30 de junio de 2009.

Para estudiar el Sol en todas las latitudes, la sonda necesitaba cambiar su inclinación orbital y abandonar el plano del Sistema Solar. Para cambiar la inclinación orbital de una nave espacial a unos 80° se requiere un gran cambio en la velocidad heliocéntrica, cuya energía superó con creces las capacidades de cualquier vehículo de lanzamiento. Para alcanzar la órbita deseada alrededor del Sol, los planificadores de la misión eligieron una maniobra de asistencia gravitatoria alrededor de Júpiter, pero este encuentro con Júpiter significaba que Ulysses no podía funcionar con células solares. En cambio, la sonda fue alimentada por un generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG).

La nave espacial se llamó originalmente Odysseus, debido a su larga e indirecta trayectoria para estudiar los polos solares. Fue rebautizado como Ulysses, la traducción latina de "Odysseus", a pedido de la ESA en honor no solo al héroe mitológico de Homero sino también a Dante&#39.;s carácter en el Infierno. El lanzamiento de Ulysses estaba originalmente programado para mayo de 1986 a bordo del transbordador espacial Challenger en STS-61-F. Debido a la pérdida del Challenger el 28 de enero de 1986, el lanzamiento del Ulysses se retrasó hasta el 6 de octubre de 1990 a bordo del Discovery (misión STS-41).

Nave espacial

Ulises naves espaciales

La nave espacial fue diseñada por la ESA y construida por Dornier Systems, un fabricante de aviones alemán. El cuerpo era aproximadamente una caja, de aproximadamente 3,2 m × 3,3 m × 2,1 m (10,5 ft × 10,8 ft × 6,9 ft) de tamaño. La caja montó la antena parabólica de 1,65 m (5 ft 5 in) y la fuente de alimentación del generador termoeléctrico (RTG) de radioisótopos GPHS-RTG. La caja estaba dividida en secciones ruidosas y silenciosas. La sección ruidosa colindaba con el RTG; la sección silenciosa albergaba la electrónica del instrumento. Particularmente "ruidoso" los componentes, como los preamplificadores para el dipolo de radio, se montaron completamente fuera de la estructura y la caja actuó como una jaula de Faraday.

Ulysses fue estabilizado por giro sobre su eje z que coincide aproximadamente con el eje de la antena parabólica. El RTG, las antenas de látigo y el brazo de instrumentos se colocaron para estabilizar este eje, con una velocidad de giro nominal de 5 rpm. Dentro del cuerpo había un tanque de combustible de hidracina. El monopropulsor de hidracina se usó para corregir el rumbo de entrada a Júpiter y luego se usó exclusivamente para volver a apuntar el eje de giro (y, por lo tanto, la antena) a la Tierra. La nave espacial estaba controlada por ocho propulsores en dos bloques. Los propulsores fueron pulsados en el dominio del tiempo para realizar rotación o traslación. Cuatro sensores solares detectaron la orientación. Para un control preciso de la actitud, la alimentación de la antena de banda S se montó ligeramente fuera del eje. Esta alimentación compensada combinada con el giro de la nave espacial introdujo una oscilación aparente en una señal de radio transmitida desde la Tierra cuando se recibió a bordo de la nave espacial. La amplitud y la fase de esta oscilación eran proporcionales a la orientación del eje de giro en relación con la dirección de la Tierra. Este método para determinar la orientación relativa se denomina exploración cónica y fue utilizado por los primeros radares para el seguimiento automático de objetivos y también era muy común en los primeros misiles guiados por infrarrojos.

La nave espacial usó la banda S para los comandos de enlace ascendente y la telemetría de enlace descendente, a través de transceptores dobles redundantes de 5 vatios. La nave espacial usó la banda X para el retorno científico (solo enlace descendente), usando TWTA duales de 20 vatios hasta la falla del último TWTA restante en enero de 2008. Ambas bandas usaron la antena parabólica con fuentes de enfoque principal, a diferencia de las fuentes Cassegrain de la mayoría de los demás. Platos de naves espaciales.

Las grabadoras dobles, cada una con una capacidad aproximada de 45 megabits, almacenaron datos científicos entre las sesiones nominales de comunicación de ocho horas durante las fases principal y extendida de la misión.

La nave espacial fue diseñada para soportar tanto el calor del Sistema Solar interior como el frío a la distancia de Júpiter. Una amplia cobertura y calentadores eléctricos protegieron a la sonda contra las bajas temperaturas del Sistema Solar exterior.

Múltiples sistemas informáticos (CPU/microprocesadores/Unidades de procesamiento de datos) se utilizan en varios de los instrumentos científicos, incluidos varios microprocesadores RCA CDP1802 resistentes a la radiación. El uso documentado de 1802 incluye 1802 redundantes duales en COSPIN y al menos un 1802 en cada uno de los instrumentos GRB, HI-SCALE, SWICS, SWOOPS y URAP, con otros posibles microprocesadores incorporados en otros lugares.

La masa total en el lanzamiento fue de 371 kg (818 lb), de los cuales 33,5 kg eran propulsor de hidracina utilizado para el control de actitud y la corrección de la órbita.

Instrumentos

Ulises instrumentos

Ulises prueba de boom radial

Los doce instrumentos diferentes procedían de la ESA y la NASA. El primer diseño se basó en dos sondas, una de la NASA y otra de la ESA, pero la sonda de la NASA fue desfinanciada y al final los instrumentos de la sonda cancelada se montaron en Ulyssses.

• Antenas de radio/Plasma: Dos antenas de cobre de berilio no fueron reeleídas hacia fuera del cuerpo, perpendicular al RTG y eje de giro. Juntos este dipolo abarcó 72 metros (236.2 pies). Una tercera antena, de cobre de berilio hueco, fue desplegada del cuerpo, a lo largo del eje de giro frente al plato. Era una antena monopolista, 7,5 metros (24.6 pies) de largo. Estas ondas de radio medida generadas por liberaciones de plasma, o el plasma mismo mientras pasaba por la nave espacial. Este conjunto de receptores era sensible de DC a 1 MHz.
• Experimento Boom: Un tercer tipo de boom, más corto y mucho más rígido, extendido desde el último lado de la nave espacial, frente al RTG. Se trataba de un tubo hueco de fibra de carbono, de 50 mm (2 pulgadas). Se puede ver en la foto como la vara de plata picada junto al cuerpo. Llevaba cuatro tipos de instrumentos: un instrumento de rayos X de estado sólido, compuesto por dos detectores de silicio, para estudiar rayos X de bengalas solares y la aurora de Júpiter; el experimento Gamma-Ray Burst, compuesto por dos cristales de scintillator CsI con fotomultímetros; dos magnetómetros diferentes, un magnetómetro vectorial de helio y un magnetómetro magnético de ante eje de flujo
• Instrumentos modificados por el cuerpo: Detectores para electrones, iones, gas neutro, polvo y rayos cósmicos fueron montados en el cuerpo de la nave alrededor de la sección tranquila.
• Por último, el enlace de las comunicaciones radiofónicas podría utilizarse para buscar ondas gravitacionales (a través de turnos Doppler) y para sondear la atmósfera del Sol a través de la ocultación radiofónica. No se detectaron ondas gravitacionales.
• La masa total de instrumentos era de 55 kg.
• Magnetometer (MAG): MAG midió el campo magnético en la heliósfera. También se realizaron mediciones del campo magnético de Júpiter.
• Experimento de plasma de viento solar (SWOOPS): detectó el viento solar en todas las distancias y latitudes solares y en tres dimensiones. Midió iones y electrones positivos.
• Instrumento de Composición Solar de Wind Ion (SWICS): composición determinada, temperatura y velocidad de los átomos y iones que componen el viento solar.
• Unified Radio and Plasma Wave Instrument (URAP): captaron ondas de radio del Sol y ondas electromagnéticas generadas en el viento solar cerca de la nave espacial.
• Instrumento de partículas energéticas (EPAC) y GAS: EPAC investigó la energía, los flujos y la distribución de partículas energéticas en la heliósfera. GAS estudió los gases no cargados (helio) de origen interestelar.
• Experimento de iones y electrones de baja energía (HI-SCALE): investigó la energía, los flujos y la distribución de partículas energéticas en la heliósfera.
• Instrumento de Rayo Cósmico y Partícula Solar (COSPIN): investigó la energía, los flujos y la distribución de partículas energéticas y los rayos cósmicos galácticos en la heliósfera.
• Solar X-ray and Cosmic Gamma-Ray Burst Instrument (GRB): Estudió rayos gamma cósmicos y rayos X de bengalas solares.
• Experimento de polvo (DUST): Medidas directas de granos de polvo interplanetario e interestelar para investigar sus propiedades como funciones de la distancia del Sol y la latitud solar.

Misión

Planificación

Ulises se sienta encima de la combinación PAM-S e IUS

Ilustración de Ulises después del despliegue

Ilustración de Polar Solar en IUS

Hasta Ulysses, el Sol solo se había observado desde latitudes solares bajas. La órbita de la Tierra define el plano de la eclíptica, que difiere del plano ecuatorial del Sol en solo 7,25°. Incluso las naves espaciales que orbitan directamente alrededor del Sol lo hacen en planos cercanos a la eclíptica porque un lanzamiento directo a una órbita solar de alta inclinación requeriría un vehículo de lanzamiento prohibitivamente grande.

Varias naves espaciales (Mariner 10, Pioneer 11 y Voyagers 1 y 2) realizaron maniobras de asistencia por gravedad en la década de 1970. Esas maniobras debían llegar a otros planetas que también orbitan cerca de la eclíptica, por lo que en su mayoría fueron cambios en el plano. Sin embargo, las asistencias por gravedad no se limitan a las maniobras en el avión; un sobrevuelo adecuado de Júpiter podría producir un cambio de plano significativo. Por lo tanto, se propuso una misión fuera de la eclíptica (OOE). Ver artículo Pioneer H.

Originalmente, la NASA y la ESA iban a construir dos naves espaciales, como la Misión Polar Solar Internacional. Una sería enviada sobre Júpiter y luego bajo el Sol. El otro volaría debajo de Júpiter, luego sobre el Sol. Esto proporcionaría una cobertura simultánea. Debido a los recortes, la nave espacial estadounidense se canceló en 1981. Se diseñó una nave espacial y el proyecto se reformuló como Ulysses debido a la ruta de vuelo indirecta y no probada. La NASA proporcionaría el generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG) y los servicios de lanzamiento, la ESA construiría la nave espacial asignada a Astrium GmbH, Friedrichshafen, Alemania (antes Dornier Systems). Los instrumentos se dividirían en equipos de universidades e institutos de investigación de Europa y Estados Unidos. Este proceso proporcionó los 12 instrumentos a bordo.

Los cambios retrasaron el lanzamiento desde febrero de 1983 hasta mayo de 1986, cuando iba a ser desplegado por el transbordador espacial Challenger (impulsado por la etapa superior propuesta Centaur G Prime). Sin embargo, el desastre del Challenger obligó a dos años y medio retirarse de la flota de transbordadores, ordenó la cancelación de la etapa superior Centaur-G y retrasó la fecha de lanzamiento hasta octubre de 1990.

Lanzamiento

Ulises después del despliegue de STS-41

Ulysses fue desplegado en órbita terrestre baja desde el transbordador espacial Discovery. Desde allí, fue propulsado en una trayectoria a Júpiter por una combinación de motores de cohetes sólidos. Esta etapa superior constaba de un Boeing IUS (Etapa superior inercial) de dos etapas, más un McDonnell Douglas PAM-S (Módulo de asistencia de carga útil especial). El IUS se estabilizó por inercia y se guió activamente durante su combustión. El PAM-S no estaba guiado y tanto él como Ulysses giraron hasta 80 rpm para lograr estabilidad al comienzo de su combustión. Al quemarse el PAM-S, el motor y la pila de la nave espacial se deshicieron del yo-yo (pesos desplegados al final de los cables) a menos de 8 rpm antes de la separación de la nave espacial. Al salir de la Tierra, la nave espacial se convirtió en la nave espacial acelerada artificialmente más rápida jamás vista, y mantuvo ese título hasta que se lanzó la sonda New Horizons.

En su camino a Júpiter, la nave espacial se encontraba en una órbita de transferencia elíptica no Hohmann. En este momento, Ulysses tenía una baja inclinación orbital hacia la eclíptica.

Paso de Júpiter

Ulises' segunda órbita (1999–2004)

Animación de Ulises's del 6 de octubre de 1990 al 29 de junio de 2009
Ulises · Tierra· Júpiter · C/2006 P1· C/1996 B2 · C/1999 T1

Llegó a Júpiter el 8 de febrero de 1992 para realizar una maniobra de giro que aumentó su inclinación hacia la eclíptica en 80,2°. La gravedad del planeta gigante inclinó la trayectoria de vuelo de la nave espacial hacia el sur y alejándola del plano de la eclíptica. Esto lo colocó en una órbita final alrededor del Sol que lo llevaría más allá de los polos norte y sur del Sol. El tamaño y la forma de la órbita se ajustaron a un grado mucho más pequeño, de modo que el afelio permaneció a aproximadamente 5 UA, la distancia de Júpiter al Sol, y el perihelio fue algo mayor que 1 UA, la distancia de la Tierra al Sol. el sol. El período orbital es de aproximadamente seis años.

Regiones polares del Sol

Entre 1994 y 1995 exploró las regiones polares norte y sur del Sol, respectivamente.

Cometa C/1996 B2 (Hyakutake)

El 1 de mayo de 1996, la nave espacial cruzó inesperadamente la cola de iones del cometa Hyakutake (C/1996 B2), revelando que la cola tenía al menos 3,8 AU de longitud.

Cometa C/1999 T1 (McNaught–Hartley)

Un encuentro con la cola de un cometa ocurrió nuevamente en 2004 cuando Ulysses voló a través de los relaves iónicos de C/1999 T1 (McNaught-Hartley). Una eyección de masa coronal llevó el material del cometa a Ulysses.

Segundo encuentro con Júpiter

Ulysses se acercó al afelio en 2003/2004 e hizo más observaciones distantes de Júpiter.

Cometa C/2006 P1 (McNaught)

En 2007, Ulysses pasó por la cola del cometa C/2006 P1 (McNaught). Los resultados fueron sorprendentemente diferentes de su paso a través de la cola de Hyakutake, con la velocidad del viento solar medida cayendo de aproximadamente 700 kilómetros por segundo (1,566,000 mph) a menos de 400 kilómetros por segundo (895,000 mph).

Misión extendida

Ulises Generador termoeléctrico de radioisótopo

El Comité del Programa Científico de la ESA aprobó la cuarta extensión de la misión Ulysses hasta marzo de 2004, permitiéndole así operar sobre los polos del Sol por tercera vez en 2007 y 2008 Después de que quedó claro que la salida de energía del RTG de la nave espacial sería insuficiente para operar los instrumentos científicos y evitar que el combustible de control de actitud, la hidracina, se congelara, se inició el intercambio de energía del instrumento. Hasta ese momento, los instrumentos más importantes se mantenían en línea constantemente, mientras que otros estaban desactivados. Cuando la sonda se acercó al Sol, sus calentadores que consumen mucha energía se apagaron y todos los instrumentos se encendieron.

El 22 de febrero de 2008, 17 años y 4 meses después del lanzamiento de la nave espacial, la ESA y la NASA anunciaron que las operaciones de la misión Ulysses probablemente cesarían en unos pocos meses. El 12 de abril de 2008, la NASA anunció que la fecha de finalización será el 1 de julio de 2008.

La nave espacial funcionó con éxito durante más de cuatro veces su vida útil prevista. Un componente dentro de la última cadena de trabajo restante del subsistema de enlace descendente de banda X falló el 15 de enero de 2008. La otra cadena en el subsistema de banda X había fallado anteriormente en 2003.

El enlace descendente a la Tierra se reanudó en la banda S, pero el ancho de haz de la antena de alta ganancia en la banda S no era tan estrecho como en la banda X, por lo que la señal del enlace descendente recibida era mucho más débil, lo que reducía el alcance alcanzable. velocidad de datos. A medida que la nave espacial viajaba en su trayectoria de salida hacia la órbita de Júpiter, la señal del enlace descendente finalmente habría caído por debajo de la capacidad de recepción incluso de las antenas más grandes (70 metros - 229,7 pies - de diámetro) de la Red del Espacio Profundo.

Incluso antes de que se perdiera la señal del enlace descendente debido a la distancia, se consideró probable que el combustible de control de actitud de hidracina a bordo de la nave espacial se congelara, ya que los generadores térmicos de radioisótopos (RTG) no pudieron generar suficiente energía para que los calentadores superaran la pérdida de calor por radiación. en el espacio. Una vez que la hidracina se congelara, la nave espacial ya no sería capaz de maniobrar para mantener su antena de alta ganancia apuntando hacia la Tierra, y la señal del enlace descendente se perdería en cuestión de días. La falla del subsistema de comunicaciones de banda X aceleró esto, porque la parte más fría de la tubería de combustible se enrutaba sobre los amplificadores de tubo de onda viajera de banda X, porque generaban suficiente calor durante la operación para mantener caliente la tubería de propulsor.

La fecha de finalización de la misión previamente anunciada del 1 de julio de 2008 vino y se fue, pero las operaciones de la misión continuaron aunque con una capacidad reducida. La disponibilidad de la recopilación de datos científicos se limitó solo cuando Ulysses estaba en contacto con una estación terrestre debido al deterioro del margen de enlace descendente de banda S que ya no podía soportar la reproducción simultánea de datos en tiempo real y grabadora.. Cuando la nave espacial estaba fuera de contacto con una estación terrestre, el transmisor de banda S se apagaba y la energía se desviaba a los calentadores internos para aumentar el calentamiento de la hidracina. El 30 de junio de 2009, los controladores de tierra enviaron comandos para cambiar a antenas de baja ganancia. Esto detuvo las comunicaciones con la nave espacial, en combinación con los comandos anteriores para apagar su transmisor por completo.

Resultados

STS-41 lanza desde el Centro Espacial Kennedy, 6 de octubre de 1990.

Durante las fases de crucero, Ulysses proporcionó datos únicos. Como la única nave espacial que salió de la eclíptica con un instrumento de rayos gamma, Ulysses fue una parte importante de la Red Interplanetaria (IPN). El IPN detecta estallidos de rayos gamma (GRB); dado que los rayos gamma no se pueden enfocar con espejos, fue muy difícil ubicar los GRB con suficiente precisión para estudiarlos más a fondo. En cambio, varias naves espaciales pueden localizar el estallido a través de la multilateración. Cada nave espacial tiene un detector de rayos gamma, con lecturas anotadas en pequeñas fracciones de segundo. Al comparar los tiempos de llegada de las lluvias gamma con las separaciones de la nave espacial, se puede determinar una ubicación para el seguimiento con otros telescopios. Debido a que los rayos gamma viajan a la velocidad de la luz, se necesitan amplias separaciones. Por lo general, una determinación provino de la comparación: una de varias naves espaciales que orbitan la Tierra, una sonda del sistema solar interior (a Marte, Venus o un asteroide) y Ulysses. Cuando Ulysses cruzó la eclíptica dos veces por órbita, muchas determinaciones de GRB perdieron precisión.

Descubrimientos adicionales:

• Datos proporcionados por Ulises condujo al descubrimiento de que el campo magnético del Sol interactúa con el Sistema Solar de una manera más compleja de lo que se suponía anteriormente.
• Datos proporcionados por Ulises condujo al descubrimiento de que el polvo que entraba en el Sistema Solar desde el espacio profundo era 30 veces más abundante de lo esperado anteriormente.
• Datos proporcionados en 2007-2008 Ulises llevó a la determinación de que el campo magnético que emana de los polos del Sol es mucho más débil de lo observado anteriormente.
• Que el viento solar ha "crecido progresivamente más débil durante la misión y está actualmente en su más débil desde el comienzo de la Era Espacial".

Destino

Ulysses probablemente continuará en una órbita heliocéntrica alrededor del Sol indefinidamente. Sin embargo, existe la posibilidad de que en uno de sus reencuentros con Júpiter, un sobrevuelo cercano a una de las lunas jovianas sea suficiente para alterar su curso y que la sonda entre en una trayectoria hiperbólica alrededor del Sol y se aleje. el sistema solar.