Fra en Goddard Space Flight Center Pressemeddelelse:
De er næsten ankommet.
Det tog et og et halvt år, over 90 kredsløbmanøvrer, og - vidunderligt - mange gravitationsforøgelser og kun den bareste bit brændstof til at flytte to rumfartøjer fra deres bane rundt om Jorden til deres nye hjem omkring Månen.
Under deres rejser har rumfartøjet aldrig været før bane, og de har skabt dejlige curlicuespring fra den ene bane til den næste. I sommer begynder de to ARTEMIS-rumfartøjer - som begyndte deres liv som en del af den fem-håndværkede THEMIS-mission, der studerer Jordens aurora - i stedet for at bane rundt om månen. TEMIS er et akronym for tidshistorien for begivenheder og makroskalainteraktion under underjordiske rumfartøjer.
Selv med NASAs årtiers erfaring med omløbsmekanik var denne rejse ingen let bedrift. Turen krævede flere manøvrer, der aldrig før blev forsøgt, inklusive flere måneder, hvor hvert fartøj bevægede sig i en nyreformet sti på hver side af månen rundt, ja, intet andet end et tyngdepunkt i rummet præget af ingen fysisk planet eller objekt.
"Ingen har nogensinde prøvet denne bane før, det er en jorden-månens frigørelsesbane," siger David Folta, en flyve dynamikingeniør ved NASA's Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Md. "Det er en meget ustabil bane, der kræver daglig opmærksomhed og konstante justeringer .”
Rejsen til ARTEMIS - forkortelse for acceleration, genforbindelse, turbulens og elektrodynamik af månens interaktion med solen - begyndte i 2009, efter at THEMIS havde afsluttet et par to års videnskabelig dataindsamling om det magnetiske miljø omkring Jorden, auroraen, og hvordan disse påvirkes af solen.
Rumfartøjet er solcelledrevet, men kredsløb for de to yderste THEMIS-rumfartøjer var gled over tid og skulle udsættes for regelmæssige otte timers mørkeperioder. Disse rumfartøjer kunne tåle op til tre timer uden sollys, men dette meget mørke ville snart lade batterierne helt aflade.
Hold ved UC-Berkeley og Goddard håndterede den daglige kontrol med THEMIS-rumfartøjet. Den vigtigste efterforsker for missionen, Vassilis Angelopoulos fra UCLA talte med holdene om at flytte de to rumfartøjer til månen for at studere det magnetiske miljø der. Men hurtige modeller af en konventionel boost-teknik viste, at alt det resterende brændstof blot ville blive brugt under transit. Der ville ikke være nok tilbage til den brændstofsultne proces med at justere retning og hastighed til faktisk at begynde at cirkle månen.
Så Angelopoulos samlede en ny, mere kompleks flerårig omlægningsplan. Flytningen vil hovedsageligt stole på tyngdekraften fra månen og Jorden til at flytte rumfartøjet på plads. Han bragte sin idé til to ingeniører, der havde været involveret i at lancere TEMIS i første omgang: David Folta og en anden flyveingeniør hos Goddard, Mark Woodard. Parret brugte deres egne modeller til at validere dette nye design, og planen var på.
Første trin: Øg størrelsen på banerne. De originale jordcentriske baner nåede næppe halvvejs til månen. Ved at bruge små mængder brændstof til at justere hastighed og retning på præcise øjeblikke i bane blev rumfartøjet katapulteret længere og længere ud i rummet. Det krævede fem sådanne justeringer for ARTEMIS P1 og 27 for ARTEMIS P2.
Næste trin: Gør springet fra Jorden omløb til den vanskelige nyreformede "Lissajous" bane, og cirkler rundt det, der er kendt som et Lagrangian-punkt på hver side af månen. Disse punkter er de steder, hvor tyngdekraften mellem Jorden og månen balanserer hinanden - punktet tilbyder faktisk ikke en fysisk enhed til at cirkle rundt. ARTEMIS P1 tog spranget - i en smuk bue under og omkring månen - til Lagrangian-punktet på fjernsiden af månen den 25. august 2010. Det andet fartøj sprang til den nærmeste side af månen den 22. oktober. Denne overførsel krævede en kompleks række manøvrer inklusive månetyngdekraftassistenter, jordtyngdekraftsassister og dybe rummanøvrer. Kombinationen af disse manøvrer var ikke kun nødvendig for at nå frem til det korrekte sted i nærheden af månen, men også til det korrekte tidspunkt og hastighed.
Ved hjælp af en række jord- og månetyngdekraft hjælper - og kun den bareste smule brændstof - ARTEMIS-rumfartøjet i kredsløb omkring månens Lagrangian-punkter i vinteren 2010. Kredit: NASA Goddard Space Flight Center / Scientific Visualization Studio
Historien blev lavet. Talrige satellitter kredser mellem Lagrangian-punkter mellem Jorden og Solen, men selvom denne bane var blevet undersøgt omfattende, var den aldrig før blevet forsøgt.
Ikke kun var dette en teknisk bedrift i sig selv, men rumfartøjet var nu på et ideelt sted at studere magnetisme et stykke fra månen. I denne position kunne de se, hvordan solvinden - bestående af ioniseret gas, kendt som plasma - strømmer forbi Månen og prøver at udfylde vakuumet på den anden side. En opgave, der er kompliceret, da plasmaet tvinges af magnetfelterne til at rejse langs bestemte stier.
”Det er en veritabel zoologisk have af plasma-fænomener,” siger David Sibeck, projektleder for THEMIS og ARTEMIS hos Goddard. ”Månen udskærer et hulrum i solvinden, og så får vi se, hvordan det udfyldes. Det er alt andet end kedeligt. Der er mikrofysik og partikelfysik og bølgefartikelinteraktion og grænser og lag. Alle ting, vi ikke har haft en chance for at studere før i plasmaet. ”
Livet for flyteknikerne var alt andet end kedeligt. At holde noget i kredsløb omkring et sted, der har lidt at markere det undtagen for tyngdekraften er ingen enkel opgave. Rumfartøjet krævede regelmæssige korrektioner for at holde det på sporet, og Folta og Woodard så det dagligt.
”Vi ville få opdaterede baneoplysninger omkring kl. 21 hver dag,” siger Woodard. ”Vi ville køre det gennem vores software og få et skøn over, hvad vores næste manøvre skal være. Vi gik frem og tilbage med Berkeley og sammen validerede vi en manøvre, indtil vi vidste, at det skulle arbejde og holde os flyvende i en uge igen. ”
Holdet lærte af erfaring. Lette justeringer havde ofte større konsekvenser end forventet. De fandt til sidst de optimale steder, hvor korrektioner så ud til at kræve mindre efterfølgende finjustering. Disse søde pletter kom hver gang rumfartøjet krydsede en imaginær linje, der kom sammen med Jorden og Månen, skønt intet i teorierne havde forudsagt noget sådant.
Den daglige årvågenhed viste sig at være afgørende. Den 14. oktober ændrede P1 rumskibets bane og holdning sig uventet. Den første tanke var, at sporingssystemet muligvis er mislykkedes, men det syntes ikke at være problemet. ARTEMIS-teamet bemærkede imidlertid også, at hele fartøjet var begyndt at dreje omkring 0,001 omdrejninger pr. Minut hurtigere. Et af instrumenterne, der måler elektriske felter, stoppede også med at fungere. Bedste gæt? Kuglen i slutningen af instrumentets 82 fods bom var brudt af - måske fordi det blev ramt af noget. Den sfære var kun tre ounces på et rumfartøj, der vejer næsten 190 pund - men det justerede ARTEMIS P1's hastighed nok til, at hvis de havde fanget anomalien, endda et par dage senere, ville de have været nødt til at spilde en uoverkommelig mængde brændstof for at komme tilbage på banen.
Som det er, vil ARTEMIS komme til månen med endnu mere brændstof end oprindeligt anslået. Der vil være nok brændstof til korrektion i kredsløb i syv til 10 år og derefter nok tilbage til at bringe de to fartøjer ned til månen.
”Vi er begejstrede for missionsplanlæggernes arbejde,” siger Sibeck. ”De kommer os meget tættere på månen, end vi kunne have håbet. Det er vigtigt for at levere data af høj kvalitet om månens indre, dens overfladesammensætning og om der er lommer med magnetisme der. ”
Den 9. januar 2011 sprang ARTEMIS P1 over månen og sluttede sig til ARTEMIS P2 på siden af Månen tættest på Jorden. Nu er de sidste trin ved at begynde.
Den 27. juni spirer P1 ind mod månen og går ind i månens bane. Den 17. juli følger P2. P2 kører i samme retning med Månen eller i prograd; P1 kører i modsat retning i retrograd.
”Vi har overvåget ARTEMIS hver dag og udviklet manøvrer hver uge. Det har været en udfordring, men vi har afsløret nogle gode ting, ”siger Folta, som nu vil fokusere sin opmærksomhed på andre NASA-flyvninger, såsom MAVEN-missionen til Mars, der er planlagt lanceret i 2013.” Men snart bliver vi færdig med denne sidste manøvrering, og ja, vi er tilbage til bare at være ARTEMIS-konsulenter. ”
Se yderligere ARTEMIS-billeder og video på dette link.
Skrevet af Karen C. Fox på GSFC.
