Deep Space 2

Deep Space 2 Space
Probe Descrição desta imagem, também comentada abaixo Um dos dois penetradores DS2 sem o envelope que o protege durante sua descida em direção à superfície de Marte. Dados gerais
Organização JPL ( NASA )
Construtor JPL / Lockheed Martin
Programa Novo milênio
Campo Nave espacial experimental
Tipo de missão Penetrador
Número de cópias 2
Status Falha
Lançar 3 de janeiro de 1999
Lançador Delta II
Fim da missão 3 de dezembro de 1999
Identificador COSPAR DEEPSP2
Local www.jpl.nasa.gov/nmp/ds2
Características técnicas
Missa no lançamento 3,57  kg

Deep Space 2 , abreviado comoDS2, é uma missão espacial experimental daagência espacial dos EUA, aNASA. Esta segunda missão doprograma Novo Milênio foi lançada em 1999. Inclui duasmicrossondasespaciaisidênticas do tipopenetradorcom uma massa unitária de 3,57 quilogramas que constituíam o primeiro teste de uma espaçonave desta natureza. Esta nova tecnologia deverá, em última instância, possibilitar a implantação, a baixo custo, de uma rede de sensores na superfície dos planetas para coletar principalmente dados sísmicos e meteorológicos. Na época, o desenvolvimento do programa Novo Milênio faziaparte da nova estratégia da NASAmais rápido, mais barato, melhor("mais rápido, mais barato, melhor" eminglês) que favorece missões interplanetárias direcionadas, de baixo custo e com um ciclo de desenvolvimento muito curto.

Passageiros da sonda espacial Mars Polar Lander lançada em3 de janeiro de 1999, as duas microssondas foram lançadas por sua espaçonave transportadora durante sua aproximação final ao planeta Marte em 3 de dezembro do mesmo ano. Depois de passar pela atmosfera marciana sem um dispositivo de freio ( pára - quedas ou foguete retro ), eles tiveram que penetrar em alta velocidade (cerca de 190  metros por segundo ) no solo do pólo sul do planeta e afundar a uma profundidade de cerca de 60 centímetros . Instrumentos colocados na parte inferior destacável da mini-sonda serviam para medir a condutividade térmica e a dureza do solo e para detectar a possível presença de água.

Os dois penetradores lançados pela Mars Polar Lander não deram nenhum sinal de vida após sua liberação. A comissão encarregada de apurar o fim prematuro da missão formulou várias hipóteses sobre a origem do seu insucesso, todas sublinhando a inadequação dos testes efectuados para o desenvolvimento deste novo tipo de máquina. A perda simultânea do Mars Polar Lander e, alguns meses antes, do Mars Climate Orbiter contribuiu para mudar a política mais rápida, mais barata e melhor, levando em consideração os custos que permitem a redução do risco de falha da missão.

Contexto: o programa do Novo Milênio

O programa New Millennium (NMP) é parte da estratégia de exploração do novo sistema solar da NASA, estabelecida por seu administrador Daniel Goldin no início dos anos 1990. mas, como resultado, mais numeroso e mais rapidamente desenvolvido: o slogan associado é mais rápido, mais barato, melhor . Mas essa mudança tem repercussões no desenvolvimento de novas tecnologias espaciais. Até agora, estes tinham sido testados no âmbito de missões operacionais, tirando partido dos seus orçamentos muito elevados: assim, a utilização de memórias flash tinha sido testada pela primeira vez na missão Cassini . Esta opção já não é possível no contexto de novas missões, que, para limitar os custos, requerem a utilização de tecnologias perfeitamente afiadas. No entanto, essas missões requerem o desenvolvimento de novas tecnologias espaciais que permitam a miniaturização, redução de custos e melhor desempenho. Para administrar essa necessidade, Charles Elachi , diretor do Jet Propulsion Laboratory (JPL), estabelecimento da NASA, oferece a Goldin um novo programa que reúne missões desenvolvidas no espírito de ser mais rápido, mais barato e mais voltado para a qualificação dessas novas técnicas. implantação em missões operacionais. Essas tecnologias incluem a propulsão iônica e a produção de sondas espaciais do tipo penetrador . Os principais objectivos das missões deste programa são, portanto, sobretudo de natureza técnica, constituindo os benefícios científicos um objectivo secundário. DentroJulho de 1995, o Congresso americano dá sua aprovação para o lançamento do programa do Novo Milênio . A gestão do programa está a cargo do JPL cuja vocação principal, desde a criação da NASA, é o desenvolvimento de missões interplanetárias. O primeiro projeto do programa lançado em 1998 é o Deep Space 1 , cujo objetivo principal é validar o uso da propulsão iônica para missões interplanetárias.

A missão Deep Space 2

Deep Space 2 é a segunda missão do programa Novo Milênio . Inclui duas pequenas sondas espaciais de alguns quilogramas do tipo penetrador . A líder do projeto da missão é Sarah Gavit e a chefe de experimentos científicos é Suzanne Smrekar. Ambos fazem parte do Laboratório de Propulsão a Jato .

Sondas espaciais do tipo penetrador

Um penetrador é uma máquina equipada com instrumentos de medição e projetada para ser liberada em altitude: sem dispositivo para reduzir sua velocidade, ela afunda no solo para coletar dados. O conceito foi testado pela primeira vez pelo Exército dos EUA na década de 1970. Caídos de uma aeronave, esses penetradores militares foram equipados com sismômetros ou outros instrumentos para detectar movimentos de tropas. No contexto de uma missão espacial, um penetrador teoricamente disponibiliza instrumentos na superfície de um planeta sem usar os habituais dispositivos complexos impostos a um pouso suave: pára - quedas , foguete retro , sistema de controle de atitude , radar , trem de pouso ... O tamanho do espaço sonda é bastante reduzida, o que tem uma influência positiva em seu custo. A leveza e o baixo custo de um penetrador, teoricamente, possibilitam a implantação de um grande número de espaçonaves na superfície do planeta e, assim, ter várias estações de medição que facilitam o estudo de processos meteorológicos ou a análise de ondas sísmicas. Projetos como MESUR , MetNet ou NetLander (todos não concluídos em 2018) são baseados neste conceito. Levando em consideração as capacidades reduzidas do penetrador, uma nave portadora, com objetivos próprios, pode ser utilizada para se encarregar do trânsito entre a Terra e o planeta a ser estudado. A primeira implementação de um penetrador no domínio espacial é desenvolvida no âmbito da missão russa Marte 96 . Os penetradores de Marte 96 têm 2 metros de comprimento, 17 centímetros de diâmetro e massa de 125 quilos. Infelizmente, a sonda espacial é destruída assim que é lançada. A agência espacial japonesa desenvolve, ao mesmo tempo que Deep Space 2, a missão Lunar-A , que também transporta penetradores de 12 a 13 kg. Eles devem ser lançados da órbita e penetrar no solo lunar a uma velocidade de 300  metros por segundo . Mas a missão, cujo lançamento estava inicialmente previsto para 2002, foi cancelada em 2007 por razões orçamentais.

Progresso do projeto

Inicialmente, o projeto Deep Space 2 visa depositar sismômetros na superfície de Marte em latitudes equatoriais. O projeto evolui quando os funcionários decidem usar a sonda espacial Mars Polar Lander (MPL) como uma embarcação de transporte. As duas microssondas devem ser liberadas por esta sonda espacial pouco antes de sua reentrada atmosférica e entrar na atmosfera de Marte seguindo trajetórias individuais. O MPL, que é um lander , deve pousar próximo ao Pólo Sul e os penetradores, que não têm autonomia para mudar sua trajetória, são obrigados a optar pelo mesmo destino. Mas as temperaturas encontradas nas regiões polares reduzem muito a vida útil das baterias, que são a única fonte de energia disponível para microssondas. Nessas condições, as leituras feitas por um sismômetro seriam feitas em um período muito curto para dar uma contribuição científica significativa. Os gestores de projetos são obrigados a substituir o sismômetro por uma nova carga útil cujo objetivo será analisar os elementos voláteis presentes no solo: trata-se de confirmar a presença de água na superfície, hipótese provável dada a latitude alvo. A vida útil das microssondas no solo é limitada a algumas horas.

O projeto Deep Space 2 tem que enfrentar muitas dificuldades durante seu desenvolvimento porque o volume e a massa são bastante reduzidos - sua massa é um centésimo da das menores sondas espaciais desenvolvidas na época pela NASA - e a restrições ligadas às condições de chegada no terreno (incidência, desaceleração). Conforme o desenvolvimento avança, a massa disponível para instrumentos científicos é reduzida.

A equipe do projeto deve desistir de realizar todos os testes previstos. Portanto, nunca foi capaz de realizar um teste de impacto com um penetrador completo e operacional e, portanto, não foi possível verificar se funcionaria após o impacto. A equipe do projeto também não foi capaz de testar a operação das comunicações entre o transmissor de rádio do penetrador e aquele a bordo do orbitador Mars Global Surveyor .

Espera-se que as microssondas cheguem ao solo mantendo sua orientação de forma totalmente passiva, com a ponta para a frente e com o eixo não desviado mais de 10 ° da vertical. Os testes são realizados no túnel de vento supersônico (até Mach 3 ) e no túnel hipersônico ( Mach 5 ) do Laboratório de Propulsão a Jato . Para os testes de velocidade subsônica , a equipe do projeto usa as instalações do instituto de pesquisa aeroespacial russo TsNIIMash em Kaliningrado, que podem reproduzir as características da atmosfera marciana.

O custo de desenvolvimento do Deep Space 2 é de US $ 26,5  milhões, aos quais são adicionados US $ 2 milhões para a fase operacional e US $ 1,2 milhão para o desenvolvimento de interfaces com a sonda espacial transportadora Mars Polar Lander . As duas sondas espaciais desenvolvidas são denominadas “Scott” e “Amundsen” em homenagem aos primeiros exploradores a alcançar o Pólo Sul da Terra, Robert Falcon Scott e Roald Amundsen .

Metas

O principal objetivo da missão é testar as tecnologias que permitirão, em missões futuras, implantar uma rede de sondas miniaturizadas a baixo custo para criar uma rede de sensores na superfície de um planeta. A solução do penetrador deve permitir reduzir o custo de implantação de um grande número de espaçonaves. Neste contexto, a missão Deep Space 2 deve permitir validar as diferentes técnicas utilizadas para o conseguir:

Cientificamente, o objetivo é determinar se o gelo de água está presente sob a superfície de Marte e avaliar as características térmicas das camadas superficiais do solo. Um objetivo secundário é contribuir para a determinação da densidade da atmosfera e medir a dureza do solo e se possível identificar a presença de estratos superficiais com uma espessura entre alguns centímetros e alguns decímetros).

Características técnicas

Os dois penetradores são idênticos. Cada penetrador compreende um módulo de descida e, dentro dele, a própria sonda espacial que compreende duas partes: uma parte superior que não afunda totalmente no solo e uma parte inferior em forma de concha que afunda até 1 metro no solo e carrega instrumentos destinados a analisá-lo.

Módulo de descida

O módulo de descida é do tamanho de uma bola de basquete (27,5  cm de altura por um diâmetro de 35  cm ) e é responsável por proteger a sonda espacial da alta temperatura que experimenta durante a reentrada atmosférica. A forma do módulo de descida desempenha um papel central na estabilidade da sonda espacial. Para cumprir sua missão, a sonda espacial deve manter a face apropriada (face cônica) apontada para frente e no pouso seu eixo deve fazer um ângulo de 10 ° com a vertical. Essas condições devem ser atendidas, apesar das seguintes restrições:

Para lidar com todas essas restrições, a parte frontal do módulo de descida tem o formato de um cone com meio ângulo de 45 ° em vez dos habituais 70 °, o que reduz o coeficiente de arrasto , enquanto de forma mais convencional, a parte traseira é uma porção de uma esfera. A segunda característica adotada para lidar com essas restrições é o rebaixamento do centro de massa, que está localizado bem à frente. Para isso, a própria sonda espacial ocupa apenas a parte frontal do módulo de descida, enquanto a parte inferior da sonda espacial que afunda no solo é rebaixada na parte superior para reduzir a altura.

A estrutura do módulo de descida é uma concha de carboneto de silício com 0,8 milímetros de espessura. A parte frontal (branca), que sofre a maior elevação de temperatura, é protegida por uma camada de um material rico em silício e poroso denominado SIRCA-SPLIT ( Ablator Cerâmico Reutilizável Impregnado com Silício - Técnica Impregnada com Camada de Polímero Secundário ) cuja espessura é de 1 cm de espessura o nariz (mais exposta) e pode suportar uma temperatura de 2000  ° C mantendo ao mesmo tempo a parte interior a uma temperatura de cerca de -40  ° C . A parte posterior, menos exposta, é protegida por uma camada de FRCI ( isolamento de compósito refratário fibroso ). A sonda espacial é presa ao módulo de descida por três suportes de titânio . O módulo de descida tem massa de 1,2 kg.

Parte superior do penetrador

A parte superior da sonda espacial tem aproximadamente a forma de um cilindro de 10,5 centímetros de altura com um diâmetro de 13,6 centímetros e pesa 1,737 quilogramas. É composto por um transmissor de rádio com uma longa antena de 12,7 centímetros e operando em banda S que transmite os dados para a Terra a uma velocidade de oito  quilo bits por segundo . Uma bateria de lítio e cloreto de tionila com capacidade de 600  miliampères-hora alimenta o rádio transmissor e também os demais equipamentos, portanto aqueles instalados na parte inferior da sonda espacial. O tipo de bateria utilizada tem a particularidade de funcionar em climas muito frios ( −80  ° C ). A bateria, pesando 200 gramas, inclui oito D-formato células . Esta parte da sonda espacial também inclui um acelerômetro que coleta dados para uma lente científica e um coletor solar .

Parte inferior do penetrador

A parte inferior da sonda espacial tem o formato de uma concha de 10,6 centímetros de comprimento, 3,9 centímetros de diâmetro e pesa 670 gramas. Ele é conectado ao anterior por um cabo. Inclui acelerômetro , sensores de temperatura, sistema de coleta de amostras de solo e sistema de análise de amostras que deve identificar a presença de água. Um microcontrolador gerencia o fluxo de operações usando um microprocessador 80C51 com 128  kilobytes de RAM e 128 kilobytes de memória somente leitura do tipo EEPROM reprogramável , bem como interfaces para sistemas analógicos .

Instrumentos científicos

Cada uma das duas sondas espaciais carrega quatro pequenos instrumentos. O principal objetivo deles é demonstrar que medições científicas válidas podem ser realizadas usando um dispositivo do tipo penetrador, apesar de seu tamanho e da brutalidade de seu contato com o solo. Quatro instrumentos estão a bordo.

Condução da missão

Do lançamento à chegada em Marte

Deep Space 2 foi lançado em3 de janeiro de 1999com a sonda espacial Mars Polar Lander por um foguete Delta II . Os dois penetradores são fixados durante o trânsito entre a Terra e Marte até a parte central do estágio de cruzeiro. As duas pequenas máquinas são cobertas por um revestimento térmico flexível que deve protegê-las do frio do espaço. Durante esta fase da missão, eles são completamente passivos e nenhuma interface os conecta ao estágio de cruzeiro. O3 de dezembro de 1999, cinco minutos antes do Mars Polar Lander entrar na atmosfera de Marte, o estágio de cruzeiro é alijado. Esta ação inicia o mecanismo pirotécnico que deve permitir a liberação dos penetradores. Dezoito segundos após a separação entre o trem de pouso e o estágio de cruzeiro, as pequenas cargas explosivas são acionadas, causando a ejeção dos dois penetradores. Ao mesmo tempo, o computador de bordo nas pequenas sondas é ativado e começa a verificar a condição da sonda. No momento de sua liberação, os penetradores não estão orientados corretamente e não possuem nenhum meio ativo que lhes permita modificar este estado. Mas na atmosfera cada vez mais densa, as pequenas sondas orientam-se automaticamente, graças à sua forma e à posição do seu centro de massa, de modo que a face mais protegida do aumento da temperatura seja colocada para a frente.

Curso planejado de descida ao solo marciano

Quando submetido a temperaturas acima de 1600  ° C , o revestimento térmico queima e é rapidamente removido. O material do escudo térmico ablativo deve resistir a esta temperatura. A pequena sonda é desacelerada em 20 g . A velocidade da sonda, que era de cerca de 6  quilômetros por segundo na época de seu lançamento, não passa de cerca de 200  metros por segundo ao final dessa fase de frenagem pela atmosfera. Sem pára-quedas ou sistema de propulsão, ele chega a essa velocidade em solo marciano sob um ângulo de cerca de 25 ° com a vertical. As duas sondas devem tocar o solo a cerca de 60 quilômetros do local de pouso do Mars Polar Lander, estando 10 quilômetros uma da outra . Quando a espaçonave atinge o solo, o módulo de descida ao redor da sonda explode. A parte frontal do penetrador em forma de concha afunda no solo a uma profundidade de cerca de um metro, enquanto a parte traseira permanece na superfície. Este subconjunto, cuja antena emerge acima do solo, servirá como um retransmissor de comunicação com a Terra via Mars Global Surveyor em órbita ao redor de Marte. Uma pequena broca localizada na parte frontal coleta uma amostra do solo que é analisada para determinar a quantidade de água presente. Sensores medem a temperatura do solo. Esses dados são transmitidos para a Terra. A missão dos penetradores deve terminar cerca de duas horas após sua chegada em solo marciano, mas pode ser estendida até que as baterias que fornecem a energia se esgotem.

Perda do trem de pouso

Nos dias que se seguiram ao pouso, nenhum sinal dos transmissores de rádio do penetrador foi recebido. O contato com o Mars Polar Lander também é perdido. Depois de tentar se reconectar com as sondas espaciais usando as grandes antenas parabólicas terrestres, as sondas Deep Space 2 , bem como o Mars Polar Lander, são consideradas perdidas no7 de dezembro.

Resultados de investigação de falha de missão

A comissão de inquérito criada pela NASA após a perda da missão não tem telemetria capaz de direcionar suas pesquisas sobre a origem de sua falha. Muitas hipóteses são avaliadas por meio da análise dos testes realizados pela equipe do projeto. Vários deles estão completamente excluídos ou considerados implausíveis pela comissão de inquérito: problema com a separação das sondas do navio transportador, arranque prematuro das baterias, falha do módulo de descida durante a reentrada atmosférica, má trajectória que teria afastado o local de pouso do planejado e colocado as sondas fora do alcance do orbitador Mars Global Surveyor (MGS), falha da estrutura no momento do impacto, problemas com o projeto do transmissor ou do Receptor de rádio MGS ou incompatibilidade de protocolos de comunicação, manuseio indevido das sondas no solo que teria enfraquecido o módulo de descida feito de um material muito sensível a choques, falha de um dos componentes adquiridos no mercado. Finalmente, quatro possíveis fontes de anomalias são mantidas, todas consequência de testes incompletos ou irrealistas, resultantes das restrições de custo ou tempo impostas à equipe do projeto pela política mais rápida, mais barata e melhor  :

As consequências do fracasso

Essa falha, mas especialmente a da Mars Polar Lander, que serviu como a espaçonave transportadora, e, alguns meses antes, a do Mars Climate Orbiter são um revés amargo para a NASA, em particular para o administrador da agência espacial Daniel Goldin , promotor de "melhor, mais rápido, mais barato" . O JPL também perdeu no início de 1999, logo após seu lançamento, o pequeno telescópio espacial infravermelho WIRE devido ao vazamento de seu refrigerante devido a um erro de projeto. Goldin, ao fazer um pedido público de desculpas durante uma viagem ao Jet Propulsion Laboratory (instituição gestora do programa), anuncia que mantém sua decisão de favorecer missões de baixo custo para a exploração do sistema solar. Ele confirma que é impossível voltar à política anterior de missões caríssimas. No entanto, tomando nota das conclusões dos investigadores que sublinharam o subfinanciamento das missões perdidas evidente desde o início dos projetos (estimado em cerca de 30%), Goldin anunciou que a partir de agora as missões terão um orçamento adaptado às suas necessidades . As missões marcianas seguintes, bem como as do programa Discovery , permitirão efetivamente que essa estratégia frutifique com uma série ininterrupta de sucessos, sem bloquear completamente o desenvolvimento de missões muito mais ambiciosas ( Mars Science Laboratory ). Muitos projetos de penetradores são posteriormente estudados, mas nenhum, durante 2018, foi além do estágio de estudo.

Notas e referências

Notas

  1. Para ilustrar a duração do ciclo de desenvolvimento de pesadas missões interplanetárias: o desenho da missão Cassini Huygens começou na década de 1980, foi lançada em 1997, atingiu seu objetivo (o planeta Saturno ) em 2004 e foi concluída em 2017. O projeto da sonda espacial Galileo começou em 1975, mas foi lançado em 1989, ou seja, 14 anos depois.
  2. Um revestimento depositado no cabo para garantir que seu isolamento seja frágil e não permite que o cabo seja enrolado com muita força.
  3. O transmissor orbital Mars Global Surveyor fornecido pela agência espacial francesa, CNES , foi projetado para coletar dados enviados pelo balão que seria lançado na atmosfera marciana pela sonda espacial russa Mars 96 .

Referências

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Bibliografia

Documento usado para escrever o artigo : documento usado como fonte para este artigo.

Kit de imprensa da NASA sobre a missãoDescrição da instrumentação científicaResultados da Investigação de Perda da Missão Surveyor 98Outro

Veja também

Artigos relacionados

links externos