SMART-1

SMART-1
Artist's impression of the SMART-1 mission ESA199399.jpg
Wizja artysty dotycząca SMART-1
Typ misji
Technologia Księżycowego orbitera
Operator ESA
IDENTYFIKATOR COSPAR 2003-043C Edit this at Wikidata
SATCAT nr. 27949
Strona internetowa SMART-1
Czas trwania misji 2 lata, 11 miesięcy, 6 dni, 6 godzin, 27 minut, 36 sekund
Właściwości statków kosmicznych
Producent Szwedzka Korporacja Kosmiczna
Uruchom masę 367 kilogramów (809 funtów)
Sucha masa 287 kilogramów (633 funtów)
Początek misji
Data uruchomienia 27 września 2003, 23:14:46 ( 2003-09-27UTC23:14:46Z ) UTC
Rakieta Ariane 5G
Uruchom witrynę Kourou ELA-3
Wykonawca Przestrzeń Ariany
Koniec misji
Data rozkładu 3 września 2006, 05:42:22 ( 2006-09-03UTC05:42:23Z ) UTC
Parametry orbity
Układ odniesienia selenocentryczny
Ekscentryczność 0,352054
Wysokość peryselenowa 2205 kilometrów (1370 mil)
Wysokość aposeleńska 4600 kilometrów (2900 mil)
Nachylenie 90,26 stopni
Okres 4,95 godziny
Epoka 18 lipca 2005, 11:14:28 UTC
Orbiter księżycowy
Wprowadzenie orbitalne 15 listopada 2004 r
Miejsce uderzenia
ISO legacy mission insignia
Starsze insygnia ESA dla misji SMART-1

SMART-1 był szwedzkim satelitą Europejskiej Agencji Kosmicznej , który krążył wokół Księżyca . Został wystrzelony 27 września 2003 r. o godzinie 23:14 UTC z Centrum Kosmicznego Gujany w Kourou w Gujanie Francuskiej . „SMART-1” to skrót od Small Missions for Advanced Research in Technology-1 . W dniu 3 września 2006 r. (05:42 UTC) SMART-1 celowo rozbił się o powierzchnię Księżyca, kończąc swoją misję.

Projekt statku kosmicznego

SMART-1 miał około jednego metra średnicy (3,3 stopy) i był lekki w porównaniu z innymi sondami. Jego masa startowa wynosiła 367 kg lub 809 funtów, z czego 287 kg (633 funtów) nie było paliwem.

Był napędzany przez napędzany energią słoneczną ster strumieniowy z efektem Halla (Snecma PPS-1350 -G), wykorzystujący 82 kg gazu ksenonowego znajdującego się w 50- litrowym zbiorniku pod ciśnieniem 150 barów podczas startu. Ster silnika jonowego wykorzystywał pole elektrostatyczne do jonizacji ksenonu i przyspieszania jonów , osiągając impuls właściwy 16,1 kN·s/kg (1640 sekund), czyli ponad trzy razy więcej niż maksimum dla rakiet chemicznych. Jeden kg paliwa (1/350 do 1/300 całkowitej masy statku kosmicznego) wytworzył delta-v około 45 m/s. Elektryczny podsystem napędowy ważył 29 kg przy szczytowym poborze mocy 1200 watów. SMART-1 był pierwszym w programie małych misji ESA w zakresie zaawansowanych badań i technologii.

Baterie słoneczne o mocy 1850 W na początku misji były w stanie zapewnić maksymalny zestaw 1190 W do pędnika, dając nominalny ciąg 68 mN, a więc przyspieszenie 0,2 mm/s 2 lub 0,7 m / s na godzinę (tj. nieco poniżej 0,00002 g przyspieszenia). Podobnie jak w przypadku wszystkich statków napędzanych silnikami jonowymi, manewry orbitalne nie były wykonywane w krótkich seriach, ale bardzo stopniowo. Konkretna trajektoria obrana przez SMART-1 na Księżyc wymagała pchania przez około jedną trzecią do połowy każdej orbity. Podczas oddalania się od Ziemi po spirali pchnięcie odbywało się na perygeum część orbity. Pod koniec misji, ster strumieniowy wykazał następujące możliwości:

  • Czas pracy steru strumieniowego: 5000 godz
  • Wydajność ksenonu: 82 kg
  • Impuls całkowity: 1,2 MN-s
  • Całkowite ΔV: 3,9 km/s

W ramach strategii Europejskiej Agencji Kosmicznej budowy bardzo niedrogich i stosunkowo małych statków kosmicznych całkowity koszt SMART-1 wyniósł stosunkowo niewielkie 110 milionów euro (około 170 milionów dolarów amerykańskich ). SMART-1 został zaprojektowany i opracowany przez Szwedzką Korporację Kosmiczną na zlecenie ESA . Montaż statku kosmicznego przeprowadził Saab Space w Linköping . Testy statku kosmicznego były kierowane przez Szwedzką Korporację Kosmiczną, a wykonywane przez Saab Space. Kierownik projektu w ESA był Giuseppe Racca, dopóki statek kosmiczny nie osiągnął operacyjnej orbity Księżyca. Następnie został zastąpiony przez Gerharda Schwehma w fazie nauki. Kierownikiem projektu w Szwedzkiej Korporacji Kosmicznej był Peter Rathsman. Głównym naukowcem projektu był Bernard Foing . Kierownikiem segmentu naziemnego w fazie przygotowań był Mike McKay, a kierownikiem operacji statku kosmicznego Octavio Camino .

Instrumenty

AMIE

Advanced Moon micro-Imager Experiment był miniaturową kolorową kamerą do obrazowania Księżyca. Kamera CCD z trzema filtrami 750, 900 i 950 nm była w stanie wykonać zdjęcia o średniej rozdzielczości pikseli 80 m (około 260 stóp). Aparat ważył 2,1 kg (około 4,5 funta) i zużywał 9 watów energii.

D-CIXS

Demonstracja kompaktowego spektrometru rentgenowskiego była teleskopem rentgenowskim do identyfikacji pierwiastków chemicznych na powierzchni Księżyca. Wykrył fluorescencję rentgenowską (XRF) związków krystalicznych powstałych w wyniku interakcji powłoki elektronowej z cząsteczkami wiatru słonecznego, aby zmierzyć obfitość trzech głównych składników: magnezu , krzemu i aluminium . Wykrywanie żelaza , wapnia i tytanu zależała od aktywności słonecznej. Zakres detekcji promieniowania rentgenowskiego wynosił od 0,5 do 10 keV. Spektrometr i XSM (opisane poniżej) ważyły ​​razem 5,2 kg i zużywały 18 watów energii.

XSM

Rentgenowski monitor słoneczny badał zmienność słoneczną w celu uzupełnienia pomiarów D-CIXS.

PAN

Spektrometr podczerwieni Smart-1 był spektrometrem podczerwieni do identyfikacji widm mineralnych oliwinu i piroksenu . Wykrył fale o długości od 0,93 do 2,4 μm z 256 kanałami. Opakowanie ważyło 2,3 kg i zużywało 4,1 wata.

EPDP

Pakiet diagnostyczny napędu elektrycznego miał na celu pozyskanie danych na temat nowego układu napędowego na SMART-1. Opakowanie ważyło 0,8 kg i zużywało 1,8 wata.

SZYBKO

Potencjał statku kosmicznego, eksperyment z elektronami i pyłem . Eksperyment ważył 0,8 kg i zużywał 1,8 wata. Jego funkcją było mierzenie właściwości i gęstości plazmy wokół statku kosmicznego, albo jako sonda Langmuira, albo jako sonda pola elektrycznego. SPEDE obserwował emisję silnika jonowego statku kosmicznego i „przebudzenie”, jakie Księżyc pozostawia na wietrze słonecznym . W przeciwieństwie do większości innych instrumentów, które muszą być wyłączone, aby zapobiec uszkodzeniom, SPEDE może kontynuować pomiary wewnątrz pasów promieniowania i podczas burz słonecznych, takich jak burze słoneczne w Halloween 2003 . Został zbudowany przez Fińskiego Instytutu Meteorologicznego , a jego nazwa została wybrana celowo, aby jej akronim pokrywał się z pseudonimem Spede Pasanena , słynnego fińskiego aktora filmowego, producenta filmowego i wynalazcy. Algorytmy opracowane dla SPEDE zostały później wykorzystane w lądowniku ESA Philae .

KATE

K a band TT&C (telemetria, śledzenie i kontrola) Eksperyment. Eksperyment ważył 6,2 kg i miał pobór mocy 26 watów. Transponder w paśmie Ka został zaprojektowany jako prekursor BepiColombo do przeprowadzania badań radiologicznych i monitorowania dynamicznych osiągów elektrycznego układu napędowego.

Lot

SMART-1 został wystrzelony 27 września 2003 wraz z Insat 3E i eBird 1 przez rakietę Ariane 5 z Centrum Kosmicznego Gujany w Gujanie Francuskiej . Po 42 minutach został wypuszczony na geostacjonarną orbitę transferową o wymiarach 7035 × 42223 km. Stamtąd używał swojego podstawowego napędu słonecznego (SEPP), aby stopniowo rozwijać się w ciągu trzynastu miesięcy.

Orbitę można zobaczyć do 26 października 2004 r. na spaceref.com , kiedy orbita miała wymiary 179 718 × 305 214 km. W tym dniu, po 289. impulsie silnika, SEPP zgromadził całkowity czas pracy wynoszący prawie 3648 godzin z całkowitego czasu lotu wynoszącego 8000 godzin, a więc nieco mniej niż połowę swojej całkowitej misji. Zużył około 58,8 kg ksenonu i wytworzył delta-v 2737 m / s (46,5 m / s na kg ksenonu, 0,75 m / s na godzinę czasu pracy). Został ponownie włączony 15 listopada w celu planowanego spalania przez 4,5 dnia, aby w pełni wejść na orbitę księżycową. Wyhamowanie na ostateczną orbitę 300–3 000 km nad powierzchnią Księżyca trwało do lutego 2005 r. Przy użyciu elektrycznego silnika odrzutowego. Powyżej podano koniec działania misji zademonstrowany przez układ napędowy.

Podsumowanie oscylujących geocentrycznych elementów orbitalnych
Epoka (UTC) Perygeum (km) Apogeum (km) Ekscentryczność
Nachylenie (stopnie) (do równika Ziemi)
Okres (godz.)
27 września 2003 r ~ 7035 ~ 42223 ~0,714 ~6,9 ~10,6833
26 października 2003, 21:20:00.0 8687.994 44.178.401 0,671323 6.914596 11.880450
19 listopada 2003, 04:29:48.4 10.843.910 46.582.165 0,622335 6.861354 13.450152
19 grudnia 2003, 06:41:47.6 13.390.351 49.369.049 0,573280 6.825455 15.366738
29 grudnia 2003, 05:21:47.8 17.235.509 54.102.642 0,516794 6.847919 18.622855
19 lutego 2004, 22:46:08.6 20.690.564 65.869.222 0,521936 6.906311 24.890737
19 marca 2004, 00:40:52.7 20.683.545 66.915.919 0,527770 6.979793 25.340528
25 sierpnia 2004, 00:00:00 37.791.261 240.824.363 0,728721 6.939815 143.738051
19 października 2004, 21:30:45.9 69.959.278 292.632.424 0,614115 12.477919 213.397970
24 października 2004, 06:12:40.9 179.717.894 305214.126 0,258791 20.591807 330.053834

Po swoim ostatnim perygeum w dniu 2 listopada, w dniu 11 listopada 2004 r. Przeszedł przez punkt Lagrange'a L 1 Ziemia-Księżyc i znalazł się w obszarze zdominowanym przez grawitacyjne oddziaływanie Księżyca , ao godzinie 1748 UT 15 listopada przeszedł pierwszą peryselenę swojej orbity księżycowej. Orbita oscylacyjna w tym dniu wynosił 6704 × 53208 km, z okresem orbitalnym 129 godzin, chociaż rzeczywista orbita została osiągnięta w zaledwie 89 godzin. Ilustruje to znaczący wpływ spalania silnika na orbitę i wskazuje znaczenie orbity oscylacyjnej, czyli orbity, po której statek kosmiczny przebyłby, gdyby w tej chwili ustały wszystkie zakłócenia, w tym ciąg.

Podsumowanie oscylujących selenocentrycznych elementów orbitalnych
Epoka (UTC) Peryselen (km) Aposelina (km) Ekscentryczność
Nachylenie (stopnie) (do równika Księżyca)
Okres (godz.)
15 listopada 2004, 17:47:12.1 6.700.720 53.215.151 0,776329 81.085 129.247777
4 grudnia 2004 10:37:47,3 5.454.925 20.713.095 0,583085 83.035 37.304959
9 stycznia 2005, 15:24:55.0 2.751.511 6.941.359 0,432261 87.892 8.409861
28 lutego 2005, 05:18:39.9 2.208.659 4.618.220 0,352952 90.063603 4,970998
25 kwietnia 2005, 08:19:05.4 2.283.738 4523.111 0,328988 90.141407 4.949137
16 maja 2005, 09:08:52.9 2.291.250 4.515.857 0,326807 89.734929 4,949919
20 czerwca 2005, 10:21:37.1 2.256.090 4549.196 0,336960 90.232619 4.947432
18 lipca 2005, 11:14:28.0 2.204.645 4600.376 0,352054 90.263741 4.947143

ESA ogłosiła 15 lutego 2005 r. przedłużenie misji SMART-1 o rok, do sierpnia 2006 r. Data ta została później przesunięta na 3 września 2006 r., aby umożliwić dalsze obserwacje naukowe z Ziemi.

Uderzenie Księżyca

SMART-1 uderzył w powierzchnię Księżyca, zgodnie z planem, 3 września 2006 o godzinie 05:42:22 UTC , kończąc swoją misję. Poruszając się z prędkością około 2000 m/s (4500 mil/h), SMART-1 spowodował uderzenie widoczne przez teleskopy naziemne z Ziemi. Mamy nadzieję, że nie tylko dostarczy to pewnych danych symulujących uderzenie meteorytu , ale także wystawi materiały w ziemi, takie jak lód wodny, na analizę spektroskopową .

ESA pierwotnie oszacowała, że ​​uderzenie miało miejsce o godz . W 2017 roku miejsce uderzenia zostało zidentyfikowane na podstawie danych Lunar Reconnaissance Orbiter o godzinie . W momencie uderzenia Księżyc był widoczny w Północnej i Południowej oraz w miejscach na Oceanie Spokojnym, ale nie w Europie, Afryce ani zachodniej Azji.

Ten projekt wygenerował dane i know-how, które zostaną wykorzystane w innych misjach, takich jak misja ESA BepiColombo na Merkurego .

Ważne wydarzenia i odkrycia

  • 27 września 2003: SMART-1 wystrzelony z Europejskiego Portu Kosmicznego w Kourou przez wyrzutnię Ariane 5 .
  • 17 czerwca 2004: SMART-1 wykonał testowe zdjęcie Ziemi za pomocą aparatu, który później został użyty do zdjęć z bliska Księżyca. Pokazuje części Europy i Afryki. Zostało zrobione 21 maja aparatem AMIE.
  • 2 listopada 2004: Ostatnie perygeum orbity Ziemi.
  • 15 listopada 2004: Pierwsza niebezpieczna orbita Księżyca.
  • 15 stycznia 2005: Wykryto wapń w Mare Crisium .
  • 26 stycznia 2005: Przesłano pierwsze zbliżenia powierzchni Księżyca.
  • 27 lutego 2005: Osiągnął ostateczną orbitę wokół Księżyca z okresem orbitalnym około 5 godzin.
  • 15 kwietnia 2005: Rozpoczyna się poszukiwanie PEL .
  • 3 września 2006: Misja kończy się planowanym uderzeniem w Księżyc na orbicie numer 2890.

Segment naziemny i operacje Smart-1

Statek kosmiczny Smart-1

Smart-1 były prowadzone z Europejskiego Centrum Operacji Kosmicznych ESA ESOC w Darmstadt w Niemczech, kierowanego przez kierownika operacji statku kosmicznego Octavio Camino .

Segment naziemny Smart-1 był dobrym przykładem ponownego wykorzystania infrastruktury w ESA: infrastruktura dynamiki lotu i system dystrybucji danych (DDS) z Rosetty , Mars Express i Venus Express . Ogólne oprogramowanie systemu kontroli misji SCOS 2000 oraz zestaw ogólnych elementów interfejsu używanych w ESA do operacji ich misji.

Zastosowanie standardów CCSDS TLM i TC umożliwiło ekonomiczne dostosowanie siedmiu różnych terminali sieci ESA Tracking ( ESTRACK ) oraz Weilheim w Niemczech (DLR).

Komponenty opracowane specjalnie dla Smart-1 to: symulator; połączenie sprzętu i oprogramowania wywodzącego się ze sprzętu EGSE Electric Ground Support Equipment, systemu planowania misji i systemu automatyzacji opracowanego na podstawie MOIS zarchiwizowanego 3 sierpnia 2019 r. w Wayback Machine (to ostatnie oparte na prototypie wdrożonym dla Envisat ) oraz pakiet narzędzia inżynierskie o nazwie MUST . To ostatnie pozwoliło inżynierom Smart-1 na badanie anomalii przez Internet, pionierskie w ESA monitorowanie TLM statku kosmicznego za pomocą telefonów komórkowych i urządzeń PDA i odbieranie alarmów statków kosmicznych za pośrednictwem wiadomości SMS . Zespół kontroli misji składał się z siedmiu inżynierów z zespołu kontroli lotów FCT, zmiennej grupy składającej się z 2–5 inżynierów dynamiki lotu i 1–2 inżynierów systemów danych. W przeciwieństwie do większości misji ESA, nie było kontrolerów statków kosmicznych (SPACON), a wszystkie operacje i działania związane z planowaniem misji były wykonywane przez FCT. Ta koncepcja wywodzi się z nadgodzin i nocnych zmian w pierwszych miesiącach misji, ale sprawdziła się podczas rejsu i faz księżyca. Głównym problemem podczas pierwszych 3 miesięcy misji było jak najszybsze opuszczenie pasów radiacyjnych, aby zminimalizować degradację paneli słonecznych i CCD śledzących gwiazdy.

Pierwszy i najbardziej krytyczny problem pojawił się po pierwszej rewolucji, kiedy awaria pokładowego algorytmu wykrywania i korekcji błędów (EDAC) uruchomiła autonomiczne przełączenie na redundantny komputer na każdej orbicie, powodując kilka restartów, znajdując statek kosmiczny w trybie BEZPIECZNYM po każdym przejściu przez perycentrum . Analiza telemetrii statku kosmicznego wskazała bezpośrednio na wywołany promieniowaniem problem z procedurą przerwań EDAC.

Inne anomalie w tym okresie były kombinacją problemów środowiskowych: wysokie dawki promieniowania, zwłaszcza w śledzących gwiazdy i anomalie oprogramowania pokładowego: kodowanie Reeda Solomona uległo uszkodzeniu po zmianie szybkości transmisji danych i musiało zostać wyłączone. Zostało to przezwyciężone przez procedury i zmiany w podejściu do operacji naziemnych. Śledzące gwiazdy były również przedmiotem częstych czkawek podczas ucieczki z Ziemi i powodowały niektóre przerwy w napędzie elektrycznym (EP). Wszystkie zostały rozwiązane za pomocą kilku poprawek oprogramowania.

EP wykazał wrażliwość na wyłączenia wywołujące promieniowanie. Zjawisko to zidentyfikowane jako Przejściowe Pojedyncze Zdarzenie Transoptora (OSET), początkowo obserwowane w LEOP podczas pierwszego odpalenia przy użyciu katody B, charakteryzowało się gwałtownym spadkiem prądu anodowego wyzwalającym bit alarmowy „Flame Out” powodujący wyłączenie EP . Stwierdzono, że problem stanowi czułość transoptora wywołana promieniowaniem. Odzyskanie takich zdarzeń polegało na ponownym uruchomieniu steru strumieniowego. Robiono to ręcznie przez kilka miesięcy, aż opracowano poprawkę oprogramowania pokładowego (OBSW) w celu wykrycia tego i zainicjowania autonomicznego ponownego uruchomienia steru strumieniowego. Jego wpływ ograniczał się do obliczeń przewidywania orbity używanych przez stacje naziemne do śledzenia statku kosmicznego i późniejszych korekt orbity.

Różnego rodzaju anomalie i częste przerwy w ciągu napędu elektrycznego doprowadziły do ​​zwiększenia wsparcia stacji naziemnych i nadgodzin zespołu operacji lotniczych, który musiał szybko zareagować. Ich odzyskanie było czasami czasochłonne, zwłaszcza gdy statek kosmiczny został znaleziony w trybie BEZPIECZNYM. Ogólnie rzecz biorąc, utrudniały prowadzenie operacji zgodnie z pierwotnym planem, mając jeden 8-godzinny przejazd co 4 dni.

Orbita Smart-1 Księżyca opada

Misja negocjowała użycie ESTRACK wolne moce sieciowe. Ta koncepcja umożliwiła około ośmiokrotnie większy zasięg sieci bez dodatkowych kosztów, ale spowodowała nieoczekiwane koszty ogólne i konflikty. Ostatecznie umożliwiło to dodatkowe kontakty ze statkiem kosmicznym na wczesnym etapie misji i znaczny wzrost nauki podczas fazy księżyca. Ta faza wymagała gruntownej rekonfiguracji sklepów pokładowych i ich obsługi. Ta zmiana zaprojektowana przez zespół kontroli lotów w ESOC i wdrożona przez Szwedzką Korporację Kosmiczną w krótkim czasie wymagała ponownego napisania części FOP Procedur Kontroli Lotów dla operacji na Księżycu.

Operacje podczas fazy księżyca stają się wysoce zautomatyzowane: wskazywanie dynamiki lotu było „sterowane menu”, co pozwala na wygenerowanie ponad 98% poleceń przez system planowania misji MPS. Rozszerzeniem systemu MPS o tzw. MOIS Executor stał się system automatyki Smart-1. Pozwoliło to na wykonanie 70% przelotów bezzałogowych pod koniec misji i umożliwiło walidację pierwszego działającego „systemu automatyzacji statku kosmicznego” w ESA.

Misja osiągnęła wszystkie swoje cele: wydostanie się z pasów radiacyjnych po 3 miesiącach od startu, wyjście spiralne w ciągu 11 miesięcy i przechwycenie przez Księżyc za pomocą rezonansów, uruchomienie i działanie wszystkich instrumentów podczas fazy rejsu oraz optymalizacja nawigacji oraz procedury operacyjne wymagane do obsługi napędu elektrycznego. Efektywne działanie napędu elektrycznego na Księżycu pozwoliło na zmniejszenie promienia orbity z korzyścią dla operacji naukowych i wydłużenie tej misji o dodatkowy rok.

Szczegółową chronologię wydarzeń operacyjnych zawiera sygn.

Inteligentne- 1 fazy misji

  • Faza startu i wczesnej orbity: start 27 września 2003 r., orbita początkowa 7029 x 42263 km.
  • Van Allen Belt Escape: Strategia ciągłego ciągu w celu zwiększenia promienia perygeum. Faza ucieczki zakończona do 22 grudnia 2003 r., orbita 20000 x 63427 km.
  • Earth Escape Cruise: Pchnij wokół perygeum tylko po to, by zwiększyć promień apogeum.
  • Rezonanse księżyca i przechwytywanie: wspomaganie trajektorii za pomocą rezonansów księżyca. Zdobycie Księżyca 15 listopada 2004 r. W odległości 310 000 km od Ziemi i 90 000 km od Księżyca.
  • Zejście z Księżyca: siła ciągu użyta do obniżenia orbity, orbita operacyjna 2200 x 4600 km.
  • Lunar Science: Do końca życia we wrześniu 2006 r., przerwana tylko jednomiesięczną fazą ponownego doładowania we wrześniu 2005 r. w celu optymalizacji orbity księżycowej.
  • Ponowne doładowanie orbity: faza w czerwcu/lipcu 2006 r. przy użyciu silników nastawczych w celu dostosowania daty i godziny uderzenia.
  • Moon Impact: Operacje od lipca 2006 do uderzenia 3 września 2006.

Pełne fazy misji z perspektywy operacyjnej są udokumentowane, w tym wydajność różnych podsystemów.

Zobacz też

Generał
  • Kaydash V., Kreslavsky M., Shkuratov Yu., Gerasimenko S., Pinet P., Chevrel S., Josset J.-L., Beauvivre S., Almeida M., Foing B. (2007). „FOTOMETRYCZNA CHARAKTERYSTYKA WYBRANYCH MIEJSC KSIĘŻYCOWYCH ZA POMOCĄ DANYCH SMART-1 AMIE”. Lunar Planetary Science, XXXVIII, streszczenie 1535, [2] .

Linki zewnętrzne