Espaço Profundo 1
Deep Space 1 (DS1) foi uma espaçonave de demonstração de tecnologia da NASA que passou por um asteróide e um cometa. Fazia parte do Programa Novo Milênio, dedicado a testar tecnologias avançadas.
Lançada em 24 de outubro de 1998, a espaçonave Deep Space 1 realizou um sobrevoo do asteróide 9969 Braille, que era seu principal alvo científico. A missão foi estendida duas vezes para incluir um encontro com o cometa 19P/Borrelly e mais testes de engenharia. Problemas durante seus estágios iniciais e com seu rastreador estelar levaram a repetidas mudanças na configuração da missão. Enquanto o sobrevôo do asteróide foi apenas um sucesso parcial, o encontro com o cometa recuperou informações valiosas.
A série Deep Space continuou com as sondas Deep Space 2, que foram lançadas em janeiro de 1999 nas costas do Mars Polar Lander e pretendiam atingir a superfície de Marte (embora o contato tenha sido perdido e a missão falhou). O Deep Space 1 foi a primeira espaçonave da NASA a usar propulsão iônica em vez dos tradicionais foguetes movidos a produtos químicos.
Tecnologias
O objetivo do Deep Space 1 era o desenvolvimento e validação de tecnologia para futuras missões; 12 tecnologias foram testadas:
- Propulsão elétrica solar
- Concentrador solar Arrays
- Multifuncional Estrutura
- Miniatura Câmera Integrada e Espectrometro de Imagem
- Espectrometro de íon e eletron
- Transponder espaço profundo pequeno
- Amplificador de energia de estado sólido Ka-Band
- Operações de Monitor de Beacon
- Agente remoto autônomo
- Eletrônica de baixa potência
- Módulo de Atuação e Comutação de Energia
- Navegação autônoma
Navegação automática
O sistema Autonav, desenvolvido pelo Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, tira imagens de asteróides brilhantes conhecidos. Os asteróides no Sistema Solar interior movem-se em relação a outros corpos a uma velocidade perceptível e previsível. Assim, uma espaçonave pode determinar sua posição relativa rastreando tais asteróides através do fundo estelar, que parece fixo em tais escalas de tempo. Dois ou mais asteroides permitem que a espaçonave triangule sua posição; duas ou mais posições no tempo permitem que a espaçonave determine sua trajetória. As espaçonaves existentes são rastreadas por suas interações com os transmissores da NASA Deep Space Network (DSN), na verdade um GPS inverso. No entanto, o rastreamento DSN requer muitos operadores qualificados, e o DSN é sobrecarregado por seu uso como uma rede de comunicações. O uso do Autonav reduz o custo da missão e as demandas de DSN.
O sistema Autonav também pode ser usado ao contrário, rastreando a posição dos corpos em relação à espaçonave. Isso é usado para adquirir alvos para os instrumentos científicos. A espaçonave é programada com a localização aproximada do alvo. Após a aquisição inicial, o Autonav mantém o assunto no quadro, mesmo comandando o controle de atitude da espaçonave. A próxima espaçonave a usar o Autonav foi a Deep Impact.
Matriz solar de concentração SCARLET
A energia primária para a missão foi produzida por uma nova tecnologia de painel solar, o Solar Concentrator Array com Refractive Linear Element Technology (SCARLET), que usa lentes Fresnel lineares feitas de silicone para concentrar a luz do sol nas células solares. A ABLE Engineering desenvolveu a tecnologia do concentrador e construiu o painel solar para o DS1, com a Entech Inc, que forneceu a óptica Fresnel, e o NASA Glenn Research Center. A atividade foi patrocinada pela Ballistic Missile Defense Organization, desenvolvida originalmente para a carga SSI - Conestoga 1620, METEOR. A tecnologia de lentes concentradoras foi combinada com células solares de junção dupla, que tiveram um desempenho consideravelmente melhor do que as células solares GaAs que eram o estado da arte na época do lançamento da missão.
As matrizes SCARLET geraram 2,5 quilowatts a 1 AU, com menos tamanho e peso do que as matrizes convencionais.
Motor iônico NSTAR
Embora os motores iônicos tenham sido desenvolvidos na NASA desde o final da década de 1950, com exceção das missões SERT na década de 1960, a tecnologia não havia sido demonstrada em voo em espaçonaves dos Estados Unidos, embora centenas de motores de efeito Hall tenham sido usados em espaçonaves soviéticas e russas. Essa falta de histórico de desempenho no espaço significava que, apesar da economia potencial na massa do propelente, a tecnologia era considerada muito experimental para ser usada em missões de alto custo. Além disso, efeitos colaterais imprevistos da propulsão iônica podem, de alguma forma, interferir em experimentos científicos típicos, como campos e medições de partículas. Portanto, era uma missão primária da demonstração do Deep Space 1 mostrar o uso de longa duração de um propulsor de íons em uma missão científica.
O propulsor de íons eletrostáticos NSTAR (Solar Technology Application Readiness) da NASA, desenvolvido na NASA Glenn, atinge um impulso específico de 1.000 a 3.000 segundos. Esta é uma ordem de magnitude maior do que os métodos tradicionais de propulsão espacial, resultando em uma economia de massa de aproximadamente metade. Isso leva a veículos de lançamento muito mais baratos. Embora o motor produza apenas 92 milinewtons (0,33 ozf) de empuxo na potência máxima (2.100 W no DS1), a embarcação alcançou altas velocidades porque os motores de íons impulsionam continuamente por longos períodos.
A próxima espaçonave a usar motores NSTAR foi a Dawn, com três unidades redundantes.
Agente Remoto
Remote Agent (RAX), software de autorreparo inteligente remoto desenvolvido no Ames Research Center da NASA e no Jet Propulsion Laboratory, foi o primeiro sistema de controle de inteligência artificial a controlar uma espaçonave sem supervisão humana. O Remote Agent demonstrou com sucesso a capacidade de planejar atividades a bordo e diagnosticar e responder corretamente a falhas simuladas em componentes de naves espaciais por meio de seu ambiente REPL integrado. O controle autônomo permitirá que futuras espaçonaves operem a distâncias maiores da Terra e realizem atividades de coleta de ciência mais sofisticadas no espaço profundo. Os componentes do software Remote Agent foram usados para dar suporte a outras missões da NASA. Os principais componentes do Remote Agent eram um planejador robusto (EUROPA), um sistema de execução de planos (EXEC) e um sistema de diagnóstico baseado em modelos (Livingstone). O EUROPA foi usado como um planejador terrestre para os Mars Exploration Rovers. O EUROPA II foi usado para apoiar a sonda Phoenix Mars e o Mars Science Laboratory. Livingstone2 voou como um experimento a bordo do Earth Observing-1 e em um F/A-18 Hornet no Dryden Flight Research Center da NASA.
Monitor de sinalização
Outro método para reduzir a carga de DSN é o experimento Beacon Monitor. Durante os longos períodos de cruzeiro da missão, as operações da espaçonave são essencialmente suspensas. Em vez de dados, o Deep Space 1 transmitiu um sinal de portadora em uma frequência predeterminada. Sem decodificação de dados, a portadora poderia ser detectada por antenas terrestres e receptores muito mais simples. Se o DS1 detectasse uma anomalia, ele mudava a portadora entre quatro tons, com base na urgência. Os receptores terrestres sinalizam aos operadores para desviar os recursos DSN. Isso evitou que operadores qualificados e hardware caro cuidassem de uma missão sem carga operando nominalmente. Um sistema semelhante foi usado na sonda New Horizons Plutão para manter os custos baixos durante seu cruzeiro de dez anos de Júpiter a Plutão.
SDST
O Pequeno Transponder Espacial Profundo (SDST) é um sistema de radiocomunicação compacto e leve. Além de usar componentes miniaturizados, o SDST é capaz de se comunicar sobre a banda Ka. Como esta banda é maior em frequência do que as bandas atualmente em uso por missões de espaço profundo, a mesma quantidade de dados pode ser enviada por equipamentos menores no espaço e no chão. Por outro lado, as antenas DSN existentes podem dividir o tempo entre mais missões. No momento do lançamento, o DSN tinha um pequeno número de Kum receptores instalados em uma base experimental; Kum operações e missões estão aumentando.
O SDST foi posteriormente usado em outras missões espaciais, como o Mars Science Laboratory (o Mars rover Curiosity).
PE
Uma vez em um alvo, DS1 sente o ambiente de partículas com o instrumento PEPE (Plasma Experiment for Planetary Exploration). Este instrumento mediu o fluxo de íons e elétrons como uma função de sua energia e direção. A composição dos íons foi determinada usando um espectrômetro de massa de tempo de voo.
MICAS
O instrumento MICAS (Miniature Integrated Camera And Spectrometer) combinou imagens de luz visível com espectroscopia de infravermelho e ultravioleta para determinar a composição química. Todos os canais compartilham um telescópio de 10 cm (3,9 pol.), que usa um espelho de carboneto de silício.
Tanto o PEPE quanto o MICAS eram semelhantes em capacidades a instrumentos maiores ou conjuntos de instrumentos em outras espaçonaves. Eles foram projetados para serem menores e exigirem menos energia do que os usados em missões anteriores.
Visão geral da missão
Espaço profundo 1· 9969 Braille· Terra· 19P/Borrelly
Antes do lançamento, o Deep Space 1 pretendia visitar o cometa 76P/West–Kohoutek–Ikemura e o asteroide 3352 McAuliffe. Devido ao atraso no lançamento, os alvos foram alterados para o asteroide 9969 Braille (na época chamado de 1992 KD) e o cometa 107P/Wilson–Harrington. Ele conseguiu um sobrevoo prejudicado de Braille e, devido a problemas com o rastreador estelar, foi reordenado para voar pelo cometa 19P/Borrelly, que foi bem-sucedido. Um sobrevôo em agosto de 2002 do asteróide 1999 KK1 como outra missão estendida foi considerado, mas no final não foi avançado devido a preocupações de custo. Durante a missão, também foram obtidos espectros infravermelhos de alta qualidade de Marte.
Resultados e conquistas
O motor de propulsão iônica falhou inicialmente após 4,5 minutos de operação. No entanto, mais tarde foi restaurado à ação e teve um desempenho excelente. No início da missão, o material ejetado durante a separação do veículo de lançamento causou um curto-circuito nas grades de extração de íons espaçadas. A contaminação acabou sendo eliminada, pois o material foi corroído por arco elétrico, sublimado por desgaseificação ou simplesmente deixado à deriva. Isso foi conseguido reiniciando repetidamente o motor em um modo de reparo do motor, formando um arco no material preso.
Pensava-se que o escapamento do motor de íons poderia interferir em outros sistemas de espaçonaves, como comunicações de rádio ou instrumentos científicos. Os detectores PEPE tinham uma função secundária para monitorar tais efeitos do motor. Nenhuma interferência foi encontrada, embora o fluxo de íons do propulsor tenha impedido o PEPE de observar íons abaixo de aproximadamente 20 eV.
Outra falha foi a perda do rastreador estelar. O rastreador estelar determina a orientação da espaçonave comparando o campo estelar com seus gráficos internos. A missão foi salva quando a câmera MICAS foi reprogramada para substituir o rastreador estelar. Embora o MICAS seja mais sensível, seu campo de visão é uma ordem de grandeza menor, criando uma carga maior de processamento de informações. Ironicamente, o rastreador estelar era um componente pronto para uso, que se esperava ser altamente confiável.
Sem um rastreador estelar funcionando, o impulso iônico foi temporariamente suspenso. A perda de tempo de empuxo forçou o cancelamento de um sobrevôo passando pelo cometa 107P/Wilson–Harrington.
O sistema Autonav exigia correções manuais ocasionais. A maioria dos problemas estava na identificação de objetos que eram muito escuros ou eram difíceis de identificar por causa de objetos mais brilhantes, causando picos de difração e reflexos na câmera, fazendo com que o Autonav identificasse erroneamente os alvos.
O sistema Remote Agent foi apresentado com três falhas simuladas na espaçonave e lidou corretamente com cada evento.
- uma unidade eletrônica fracassada, que o Agente Remoto fixou reativando a unidade.
- um sensor falhado fornecendo informações falsas, que o Agente Remoto reconheceu como não confiável e, portanto, corretamente ignorado.
- um impulsor de controle de atitude (um pequeno motor para controlar a orientação da sonda) preso na posição "off", que o Agente Remoto detectou e compensou ao mudar para um modo que não dependia desse propulsor.
No geral, isso constituiu uma demonstração bem-sucedida de planejamento, diagnóstico e recuperação totalmente autônomos.
O instrumento MICAS foi um sucesso de projeto, mas o canal ultravioleta falhou devido a uma falha elétrica. Mais tarde na missão, após a falha do rastreador estelar, o MICAS também assumiu esse dever. Isso causou interrupções contínuas em seu uso científico durante a missão restante, incluindo o encontro com o cometa Borrelly.
O sobrevôo do asteróide 9969 Braille foi apenas um sucesso parcial. O Deep Space 1 foi planejado para realizar o sobrevôo a 56.000 km/h (35.000 mph) a apenas 240 m (790 pés) do asteroide. Devido a dificuldades técnicas, incluindo uma falha de software pouco antes da aproximação, a nave ultrapassou Braille a uma distância de 26 km (16 mi). Isso, mais o albedo inferior do Braille, significava que o asteróide não era brilhante o suficiente para o Autonav focar a câmera na direção certa, e a sessão de fotos atrasou quase uma hora. As imagens resultantes foram decepcionantemente indistintas.
No entanto, o sobrevôo do Cometa Borrelly foi um grande sucesso e retornou imagens extremamente detalhadas da superfície do cometa. Essas imagens eram de maior resolução do que as únicas fotos anteriores de um cometa - o cometa Halley, tiradas pela espaçonave Giotto. O instrumento PEPE informou que a interação do vento solar do cometa foi deslocada do núcleo. Acredita-se que isso se deva à emissão de jatos, que não foram distribuídos uniformemente pela superfície do cometa.
Apesar de não ter escudos de detritos, a espaçonave sobreviveu intacta à passagem do cometa. Mais uma vez, os esparsos jatos de cometas não pareciam apontar para a espaçonave. O Deep Space 1 então entrou em sua segunda fase de missão estendida, focada em testar novamente as tecnologias de hardware da espaçonave. O foco desta fase da missão estava nos sistemas de motores iônicos. A espaçonave acabou ficando sem combustível de hidrazina para seus propulsores de controle de atitude. O propulsor de íons altamente eficiente tinha uma quantidade suficiente de propelente restante para realizar o controle de atitude, além da propulsão principal, permitindo assim que a missão continuasse.
Durante o final de outubro e início de novembro de 1999, durante a fase costeira pós-encontro em Braille da espaçonave, a Deep Space 1 observou Marte com seu instrumento MICAS. Embora tenha sido um sobrevôo muito distante, o instrumento conseguiu obter vários espectros infravermelhos do planeta.
Estado atual
Deep Space 1 teve sucesso em seus objetivos primários e secundários, retornando valiosos dados científicos e imagens. Os motores de íons do DS1 foram desligados em 18 de dezembro de 2001 aproximadamente às 20:00:00 UTC, sinalizando o fim da missão. As comunicações a bordo foram configuradas para permanecer no modo ativo caso a embarcação seja necessária no futuro. No entanto, as tentativas de retomar o contato em março de 2002 não tiveram sucesso. Ele permanece dentro do Sistema Solar, em órbita ao redor do Sol.
Estatísticas
- Massa de lançamento: 486 kg (1,071 lb)
- Massa seca: 373 kg (822 lb)
- Combustível: 31 kg (68 lb) de hidrazina para propulsores de controle de atitude; 82 kg (181 lb) de xenon para o motor de íon NSTAR
- Potência: 2.500 watts, dos quais 2.100 watts potências o motor de íon
- Contratante Prime: Spectrum Astro, mais tarde adquirido pela General Dynamics, e mais tarde vendido à Orbital Sciences Corporation
- Veículo de lançamento: Boeing Delta II 7326
- Site de lançamento: Cabo Canaveral Complexo de Lançamento Espacial da Força Aérea 17A
- Custo total: US$ 149,7 milhões
- Custo de desenvolvimento: US$ 94.8 milhões
- Pessoal:
- Gestor de projecto: David Lehman
- Gerente da missão: Philip Varghese
- Engenheiro de missão principal e gerente de missão adjunto: Marc Rayman
- Cientista do projeto: Robert Nelson
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