GRAŢIE | |
---|---|
Engleză Recuperarea gravitației și experimentul climatic | |
Producător | Sistemul prin satelit Dornier |
Operator | NASA și Centrul Aer și Spațial German |
Sarcini | studiul câmpului gravitațional al Pământului |
Satelit | Pământ |
platforma de lansare | Plesetsk , site-ul №133 |
vehicul de lansare | Rumble [1] |
lansa | 17 martie 2002 UTC 09:21:27 |
ID NSSDCA | 2002-012A |
SCN | 27391 |
Preț | 127 milioane USD (la lansare) |
Specificații | |
Platformă | Flexbus |
Greutate | 474 kg |
Elemente orbitale | |
Tipul orbitei | orbita circumpolară |
Starea de spirit | 89° |
Perioada de circulatie | 94 min |
Altitudinea orbitei | ≈500 km |
grace.jpl.nasa.gov _ | |
Fișiere media la Wikimedia Commons |
GRACE ( Eng. Gravity Recovery And Climate Experiment ) [2] este o misiune satelit comună a NASA și Centrul German de Aviație și Cosmonautică , care vizează studierea câmpului gravitațional al Pământului și a variațiilor sale temporale asociate, în special, cu procesele schimbărilor climatice .
GRACE cartografiază câmpul gravitațional prin măsurarea poziției a doi sateliți identici pe orbită polară la o altitudine de 500 km. Doi sateliți ( ID NSSSDC : 2002-012A și 2002-012B ) au fost lansați de la Cosmodromul Plesetsk pe 17 martie 2002.
Sateliții schimbă continuu semnale radio în intervalul de microunde, ceea ce face posibilă urmărirea modificărilor distanței dintre ei cu precizie micron. Mișcarea și orientarea corectă a sateliților sunt înregistrate folosind receptoare GPS , accelerometre și tracker-uri de stele . În plus, sateliții sunt echipați cu reflectoare de colț pentru a fi utilizate în telemetrie laser prin satelit .
Sateliții zboară peste fiecare parte a Pământului aproximativ o dată pe lună, ceea ce face posibilă urmărirea mișcărilor naturale ale maselor (asociate în principal cu ciclul apei în natură ).
Conceptul experimentului a fost propus la mijlocul anilor 1970, dar nivelul tehnologic general nu a permis implementarea. Ideea experimentului a fost următoarea: doi sateliți identici (deseori numiți Tom și Jerry , după eroii seriei scurte de desene animate cu același nume, care se urmăresc în mod constant), zburând unul după altul pe o orbită. distanță de 220 km, ar trebui să măsoare extrem de precis distanța dintre ei. Deplasându-se de-a lungul unei orbite polare , sateliții vor experimenta efectul gravitațional al neomogenităților de masă pe suprafața și sub suprafața Pământului. Pentru a urmări oscilațiile sateliților unul față de celălalt, la bord trebuie să fie amplasate accelerometre și telemetrie de înaltă precizie. Deci distanța a trebuit măsurată cu o precizie de aproximativ 10 microni . S-a presupus că schimbările în câmpul gravitațional al Pământului ar face posibilă evaluarea mișcării maselor de apă în oceane, inclusiv a curenților de adâncime și de suprafață, a schimbului de mase între ghețari și oceane, precum și a proceselor geologice sub suprafața Pământului . 3] . Era de așteptat ca rezoluția spațială a hărților gravitaționale obținute pe baza datelor experimentului GRACE să fie de aproximativ 300 km, ceea ce este de aproximativ 100 de ori mai mare decât modelele care existau la începutul programului. Hărțile gravitaționale în sine au fost planificate să fie actualizate o dată pe lună. Datele obținute în timpul misiunii GRACE urmau să fie furnizate gratuit organizațiilor științifice din diferite țări. [4] .
Unii analiști au sugerat posibilitatea utilizării datelor obținute în timpul experimentului GRACE în scopuri militare [4] :
Pe lângă experimentul principal, a fost planificat să se efectueze un experiment suplimentar privind transiluminarea atmosferei cu semnale radio în raza GPS. Scopul experimentului a fost de a studia efectul absorbției și refracției asupra caracteristicilor semnalului primit de navele spațiale [4] .
Au fost exprimate opinii că acest experiment ar putea avea și un accent militar: s-a presupus că prelucrarea statisticilor privind navigația prin satelit folosind sistemul GPS și identificarea caracteristicilor influenței atmosferei asupra utilizării GPS ar ajuta la dezvoltarea sisteme de control pentru vehicule de lansare și rachete balistice [4] .
În general, pe baza rezultatelor misiunii GRACE, se poate aștepta crearea unei baze teoretice pentru cercetarea militară aplicată în următoarele domenii [4] :
Proiectul GRACE a fost finanțat de NASA Advanced Research Program . Pathfinders Știința Sistemului Pământului (ESSP) [5] . În iulie 1996, a început colectarea cererilor de participare la programul ESSP. Au fost depuse în total 44 de cereri, dintre care 12 (inclusiv GRACE) au ajuns în finală. Printre criteriile de selecție a fost dorința de a lansa pe orbită în termen de 36 de luni de la începerea finanțării [6] . Pe 18 martie 1997 au fost anunțați trei câștigători, printre care și proiectul GRACE. Proiectul a fost implementat de dezvoltatori americani și germani: Helmholtz Potsdam Center , Dornier Satellitensysteme GmbH (DSS) (o subsidiară a EADS Astrium ) din partea germană și JPL , Space Systems/Loral și Universitatea din Texas din partea americană [7] . Conducerea generală a proiectului a fost încredințată JPL [3] . Caracteristica cheie a laturii financiare a proiectului a fost transferul maxim de autoritate de la NASA către executanții proiectului. NASA a transferat contractorilor întreaga responsabilitate pentru selectarea contractanților și dezvoltatorilor de echipamente științifice și de zbor. La rândul său, JPL a fost responsabil pentru succesul experimentului și furnizarea de informații științifice către comunitatea științifică internațională [7] . Proiectul și-a asumat activitatea părții spațiale timp de 5 ani din momentul lansării pe orbită [3] .
În septembrie 1997, programul a trecut în „etapa B” - fabricarea navelor spațiale. Dornier Satellitensysteme a fost responsabil pentru fabricarea sateliților. Aceeași companie a asigurat pregătirea vehiculelor pentru lansare și integrarea cu vehiculul de lansare [7] .
În iulie 1999, proiectul GRACE a fost printre programele ale căror bugete au fost tăiate în cea mai mare reducere a bugetului NASA din 1981, dar echipa a reușit să depășească dificultățile [8] .
Pentru a implementa experimentul GRACE, au fost fabricate două nave spațiale GRACE 1 și GRACE 2. Compania germană Astrium a fost responsabilă de construcția navei spațiale cu participarea Space Systems / Lora, iar managementul general al proiectului a fost realizat de JPL [3] .
Platformă FlexBus fără hardware instalat
Nava spațială CHAMP este prima care folosește platforma FlexBus
nava spațială GRACE
Nava spațială GRACE-FO - dezvoltarea proiectului GRACE
Ambii sateliți s-au bazat pe platforma de satelit FlexBus [7] . Platforma a fost dezvoltată pentru misiunea CHAMP și modificată pentru a îndeplini cerințele GRACE: magnetometrul a fost îndepărtat de la nasul platformei, proprietățile aerodinamice ale platformei au fost îmbunătățite, s-a lucrat pentru optimizarea coeficientului balistic, centrele de masa accelerometrelor au fost plasate pe o continuare liniară a vectorului de presiune a fluxului în toate direcțiile, iar sistemele de mișcare au fost folosite centru de masă pentru ajustarea multiplă a poziției acestuia în timpul zborului [7] .
Fiecare navă spațială măsura 3,1×1,94 m și cântărea 480 kg [9] . Echipamentul de la bordul navei spațiale consta din sisteme științifice, sisteme de orientare și stabilizare și sisteme de service. Toate instrumentele științifice au fost montate pe un panou realizat dintr-un material compozit cu un coeficient de dilatare scăzut - această soluție asigura precizia necesară de măsurare, indiferent de cantitatea de radiație solară [3] .
Sisteme științificeInstrumentul principal al experimentului GRACE este un telemetru în bandă K ( K -Band Ranging , KBR), format din patru elemente cheie [3] :
Pe lângă KBR, la bord au fost instalate mai multe antene suplimentare, care au fost folosite în programe suplimentare. Pentru experimentul de transiluminare atmosferică au fost folosite mai multe antene GPS. Antena principală a semnalului de navigație era amplasată în partea superioară a navei și era îndreptată spre zenit. Pe spatele aparatului a fost instalată o antenă de rezervă, îndreptată spre nadir. Antena GPS elicoidală, antena principală a experimentului, a fost amplasată pe partea din spate a sateliților [3] .
Pentru a măsura forțele negravitaționale care acționează asupra navei spațiale, a fost folosit accelerometrul SuperSTAR, fabricat de compania franceză ONERA. Accelerometrul includea o unitate de senzor (Sensor Unit, SU), care măsura accelerațiile și o unitate de interfață (Interface Control Unit, ICU), care filtra și procesa semnalele digitale ale accelerometrului [3] .
Pentru a monitoriza parametrii de mișcare a vehiculelor pe partea nadir, au fost instalate reflectoare de colț laser (Laser Retro-Reflectors, LRR) [3] .
Sisteme de orientare și stabilizarePentru orientarea în spațiu, la bordul navei au fost plasați mai mulți senzori. Pe partea stângă și dreaptă au fost instalate camere stea (+Y, Y), care erau responsabile pentru determinarea cu precizie a poziției sateliților. Pentru o orientare aproximativă, au fost folosite un senzor solar-terestre, un magnetometru Forster și receptoare GPS. Pe lângă senzorii de orientare, la bord era un giroscop, fabricat de compania engleză. Litton , care a fost responsabil pentru determinarea poziției în timpul funcționării anormale a satelitului [3] .
Pentru a controla poziția aparatului, s-au folosit două sisteme de antrenare. Sistemul reactiv era format din mai multe motoare cu o tracțiune de 10 mN, fabricate de compania engleză. Moog , cu azot comprimat ca corp activ. Pentru stocarea gazului, doi cilindri de înaltă presiune au fost montați de-a lungul axei principale a navei spațiale. Pentru a reduce consumul de fluid de lucru pentru orientare, la bordul aparatului au fost instalate șase bobine electromagnetice cu un moment magnetic de 30 A m² fiecare [3] .
Pentru a controla sateliții la distanță, pe spatele vehiculelor au fost amplasate două motoare de manevră orbitală cu o tracțiune de 40 mN fiecare (fluidul de lucru este azot comprimat) [3] .
Pentru a măsura cu precizie forțele negravitaționale care acționează asupra satelitului, a fost necesar să se controleze centrul de masă al navei spațiale. Pentru a aduce centrul de masă al dispozitivului la centrul de masă al accelerometrului, a fost utilizat un sistem de echilibrare: 6 mecanisme de echilibrare a masei MTM și o unitate electronică a sistemului de echilibrare MTE. Fiecare dintre mecanismele de echilibrare a masei a constat dintr-o masă mobilă pe un ax , iar o pereche de MTM-uri asigura echilibrarea de-a lungul unei axe a navei spațiale [3] .
Sisteme de servicePentru a asigura funcționarea instrumentelor științifice și a sistemului de orientare, la bordul satelitului au funcționat mai multe sisteme de servicii [3] :
Principala parte generatoare a sistemului de alimentare au fost panourile solare montate pe partea superioară și laterală a carenei. Bateriile nichel-hidrogen cu o capacitate de 16 Ah [3] au fost folosite pentru a lucra în părțile umbrite ale orbitei .
Pentru a menține o temperatură stabilă la bordul navei spațiale, au fost folosite 64 de elemente de încălzire, 45 de rezistențe și 30 de termistoare [3] .
Un adaptor special MSD (Multi-Satellite Dispenser) a fost dezvoltat pentru a lansa două dispozitive. Dezvoltarea adaptorului comandat de Eurockot Launch Services a fost realizată de compania germană RST Rostock Raumfahrt und Umweltschutz GmbH . Adaptorul era o coloană de 300×300 mm din aluminiu, pe care erau amplasate mijloacele de fixare și separare a navei spațiale. La rândul său, adaptorul în sine a fost atașat la cadrul superior al treptei superioare Breeze-KM . Adaptorul MSD nu avea conectori electrici pentru alimentarea sarcinii utile, iar computerul de bord Briza-KM a dat comanda separarii navei spatiale [10] . Gazul comprimat a fost folosit pentru a separa nava spațială de adaptor [3] . Adaptorul a trecut testele de acceptare în Moscova GKNPT im. M.V.Hrunichev [10] .
Unul dintre avantajele vehiculului de lansare Rokot a fost posibilitatea folosirii unui caren mare. Pentru lansarea misiunii GRACE a fost creat un caren cu o înălțime de peste 6 metri și un diametru de 2,6 m [11] .
La începutul anului 1998, Alfred Tegtmeyer , director de marketing al unei companii germane engleze. Cosmos International OHB-System GmbH , care a promovat pe piața internațională vehiculul de lansare rusesc Kosmos -3M , a susținut că compania avea un contract pentru lansarea misiunii GRACE [12] . Cu toate acestea, în perioada 29-30 octombrie 1998, o delegație de specialiști a vizitat cosmodromul Plesetsk , care a evaluat gradul de pregătire al cosmodromului pentru lansările vehiculului de lansare Rokot . Printre participanți a fost Peter Hans Pawlowski ( germană: Peter Hans Pawlowski ), reprezentând proiectul GRACE [13] . Deja pe 9 noiembrie, Centrul aerian și spațial german (DLR) și compania engleză. Eurockot Launch Services GmBH (compania a promovat vehiculul de lansare Rokot pe piața internațională) a semnat un acord preliminar pentru lansarea a doi sateliți mici în cadrul programului GRACE folosind vehiculul de lansare Rokot [14] . Alegerea vehiculului de lansare s-a făcut în funcție de rezultatele competiției, la care au participat furnizorii de lansări a șase vehicule de lansare. Principalii concurenți ai lui Rokot au fost americanul Athena-2 și rusul Cosmos-3M. Managerul de proiect JPL GRACE, Edgar Davies , a comentat despre alegere: „Rokot este singurul transportator din clasa sa capabil să livreze doi dintre acești sateliți grei pe orbita țintă. Capacitatea sa portantă și manevrabilitatea lui Briza-KM au devenit argumente decisive” [15] .
În perioada 22-24 iunie 1999, reprezentanții DLR, DASA, Dornier Satellite Systems din partea germană și GPL și NASA din partea americană au sosit din nou la Plesetsk. Aceștia au monitorizat progresul lucrărilor de adaptare a infrastructurii amplasamentului nr. 133 (folosit anterior pentru lansarea vehiculului de lansare Kosmos) la cerințele clienților comerciali [16] . Lansarea a fost programată pentru 23 iunie 2001 [7] . Pe 25 aprilie 2000, reprezentanții GRACE, însoțiți de conducerea Eurockot Launch Services, au vizitat din nou Plesetsk pentru a se asigura că infrastructura a fost pregătită cu succes pentru a primi încărcătura utilă [15] .
La 14 septembrie 1999, Astrium GmbH, într-o cameră curată situată în Friedrichshafen , Germania , a finalizat testarea de compatibilitate a navelor spațiale GRACE A și B cu adaptorul pentru vehiculul de lansare. După aceea, ambii sateliți au fost transportați în SUA în Palo Alto pentru testarea vidului termic [17] . Pe 22 decembrie 1999, în timpul unui test la sol al sistemelor electrice ale vehiculului de lansare, a avut loc o eliberare anormală a clapetelor carenului. În acest moment, vehiculul de lansare se afla în poziția de pornire, andocat la turnul de serviciu. Aripile căzute la pământ nu au fost supuse refacerii [18] . Acest incident a dus la amânarea datei de lansare pentru octombrie 2001. Pe 9 august 2001, la cosmodromul Plesetsk a sosit din nou o delegație reprezentând specialiști germani și americani, care erau convinși că infrastructura cosmodromului este pregătită pentru a primi nave spațiale [19] . Cu toate acestea, din cauza indisponibilității navei spațiale în sine, datele de lansare s-au deplasat treptat „la dreapta”: 23 noiembrie 2001, 27 februarie și 5 martie 2002 au fost întârziate [20] . La 18 decembrie 2001, președintele Guvernului Federației Ruse Mihail Kasyanov a semnat un ordin „Cu privire la furnizarea pe bază contractuală de către Forțele Spațiale ale Federației Ruse a serviciilor pentru a asigura lansarea a două nave spațiale științifice GRACE de la Plesetsk. Cosmodrom de către vehiculul de lansare Rokot” [20] .
Data finală de lansare a fost stabilită pentru 09:23:14 UTC pe 16 martie 2002. Fereastra de pornire a fost de 10 minute. Dar pe 14 martie, în timpul pregătirii pre-lansare, au apărut remarci pe unul dintre cele trei canale ale calibrării pre-lansare a platformei giroscopice a etapei superioare Breeze-KM. Problema s-a dovedit a fi nu la bordul vehiculului de lansare, ci la complexul de lansare și a fost rezolvată prin înlocuirea unității responsabile cu instalarea colimatorului giroscopic de referință. După aceea, a fost dat permisiunea de a începe la ora specificată. Dar pe 16 martie, cu 40 de minute înainte de deschiderea ferestrei de lansare, s-a decis amânarea lansării cu o zi din cauza condițiilor meteorologice: la o altitudine de 10 km, viteza vântului a depășit limitele admise. Lansarea a fost programată pentru 17 martie 09:21:18 UTC [3] .
Pe 17 martie 2002 la 09:21:27 UTC (10 secunde după deschiderea ferestrei de lansare), vehiculul de lansare Rokot a fost lansat cu succes. La 10:47 UTC, la 85 de minute și 38 de secunde după lansare, sarcina utilă s-a separat de treapta superioară Breeze-KM. La ora 10:49 UTC, stația de sol a centrului german de control al misiunii din Weilheim din Oberbayern a primit primul semnal de telemetrie de la navă și a confirmat succesul lansării [3] .
ID-ul NSSDC | SCN | Numele obiectului | Înclinarea orbitală | Perigeu (km) |
Apogee (km) |
Perioada de circulație (min) |
---|---|---|---|---|---|---|
2002-012A | 27391 | GRATIA 1 | 89,027° | 496,7 | 520,7 | 94.578 |
2002-012B | 27392 | GRATIA2 | 89,028° | 496,4 | 521,5 | 94.587 |
2002-012C | 27393 | RB "Breeze-KM" | 89,014° | 170,7 | 517,9 | 91.064 |
La ora 11:01 UTC, etapa superioară a efectuat o manevră de retragere și pe 27 martie a intrat în straturile dense ale atmosferei și s-a prăbușit [3] .
După lansarea pe orbită, GRCE 2 a început să „fugă” de GRACE 1 cu o viteză de 0,5 m/s, iar după cinci zile distanța dintre navă spațială a fost de 263 km. Din acel moment, sateliții au început să se apropie unul de celălalt pentru a ocupa poziții de lucru la ≈220 km unul de celălalt. În termen de 44 de zile de la momentul lansării, ambele dispozitive au fost testate echipamente de bord [3] .
Inițial, misiunea a fost proiectată pentru cinci ani [21] . La 9 iunie 2010, administratorul asociat al NASA, Laurie Garver, și președintele Comitetului executiv al DLR, Johann-Dietrich Werner, au semnat la Berlin un acord de prelungire a misiunii GRACE până la sfârșitul vieții sale pe orbită, așa cum se preconiza atunci, în 2015 [22] .
Pe 3 septembrie 2017, o celulă a bateriei s-a defectat la bordul GRACE-2 din cauza depășirii duratei sale de viață, devenind a opta celulă pierdută. Pe 4 septembrie, comunicarea cu dispozitivul s-a pierdut. Pe 8 septembrie, a fost posibilă restabilirea comunicării cu satelitul, ocolind limitările software-ului de la bord. Analiza telemetrică a arătat că elementul defect funcționează din nou, dând tensiunea specificată [23] . Până la jumătatea lunii octombrie, a devenit clar că bateria GRACE-2 nu poate menține tensiunea necesară pentru a alimenta toți consumatorii de la bord. După o analiză cuprinzătoare, s-a decis transferul navei spațiale defecte în modul de deorbitare. Era de așteptat să deorbiteze în decembrie 2017-ianuarie 2018 [24] .
După defecțiunea aparatului GRACE-2, s-a decis să se utilizeze GRACE-1 pentru calibrarea accelerometrului. Pentru aceasta, a fost efectuată o pornire controlată a motoarelor și o analiză a citirilor accelerometrului. Această operațiune a fost importantă pentru pregătirea vehiculelor pentru misiunea GRACE-FO [24] . Satelitul GRACE-2 a intrat în atmosferă pe 24 decembrie 2017. [25] Satelitul GRACE-1 a intrat în atmosferă pe 10 martie 2018. [26]
Sărbătorind 15 ani de funcționare cu succes a proiectului GRACE, specialistul senior în apă JPL Jay Familetti a spus:
Nu mă pot gândi la un alt set de dimensiuni care să fi revoluționat atât de mult știința.[27] |
Nu mă pot gândi la un alt set de măsurători care să fi revoluționat atât de mult știința. |
Conform datelor GRACE, cea mai precisă hartă a câmpului gravitațional global al Pământului a fost construită în acest moment.
Conform observațiilor din 2002 până în 2005, s-a dovedit topirea rapidă a gheții Groenlandei [28] .
În 2006, un grup de cercetători condus de Ralph von Frese și Laramie Potts folosind datele GRACE a descoperit o formațiune geologică în Antarctica cu un diametru de aproximativ 480 km [29] (vezi Wilkes Land Crater )
Experimentul GRACE a oferit cercetătorilor o mulțime de informații care au servit drept sursă pentru un număr mare de publicații în reviste științifice. Începând cu 15 mai 2020, Frank Flechtner a înregistrat 2199 de publicații [30] . Contribuții remarcabile reflectate în literatura științifică au fost recunoscute în cadrul conferinței SpaceOps 2018 cu premiul „Pentru Excelență” de către Centrul Național de Cercetare Spațială din Franța [31] .
Tehnologia experimentului GRACE a stat la baza misiunii de cartografiere a câmpului gravitațional al Lunii . Laboratorul interior de recuperare gravitațională ( GRAIL ) [32] .
În noiembrie 2002, misiunea GRACE a primit premiile Best of What's New, prezentate anual de Popular Science [33] .
La 10 decembrie 2007, la reuniunea de toamnă a Uniunii Geofizice Americane din San Francisco, echipa de experimente GRACE a primit prestigiosul premiu William T. Pecora , care este un premiu comun al Departamentului de Interne al SUA și al NASA pentru contribuția remarcabilă la studiul Pământ folosind metode de la distanță [34] .
În 2018 au fost lansați 2 noi sateliți, care permit măsurători cu o precizie mai mare [35] .
Dicționare și enciclopedii |
---|