Satélites científicos GRACE y GRACE-FO
Organización | NASA DLR |
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Constructor | Airbus Defence and Space (Alemania) |
Programa | Pathfinder de Ciencias del Sistema Terrestre ( ESSP ) |
Campo | Medición del campo gravitacional de la Tierra. |
Estado |
Misión completada (GRACE) Operacional (FO) |
Otros nombres | Experimento de recuperación de gravedad y clima |
Lanzamiento |
17 de marzo de 2002 (GRACE) 22 de mayo de 2018 (FO) |
Lanzacohetes |
Rokot (GRACE) Falcon 9 (FO) |
Fin de la misión | Octubre de 2017 (GRACE) |
Duración | 5 años (misión principal) |
Identificador de COSPAR | 2002-012A |
Sitio | http://www.csr.utexas.edu/grace/ |
Misa en el lanzamiento | 487 kilogramos |
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Energia electrica | 210 vatios |
Orbita | Polar |
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Altitud | 500 kilometros |
Inclinación | 89 ° |
Gravity Recovery And Climate Experiment mejor conocido por sus siglasGRACEyGRACE-FO(GRACE-Follow on) son dos misiones espaciales similares, de laNASAy laAgencia Espacial Alemana(DLR), lanzadas respectivamente enMarzo de 2002 y Mayo de 2018. Ambos realizan mediciones detalladas de la gravedad de la Tierra. Los datos recopilados permiten conocer la distribución detallada de masas dentro del planeta y sus variaciones en el tiempo. Para lograr esto, estas misiones utilizan dos satélites que trabajan en conjunto. Las posiciones relativas de los dos satélites y las variaciones en sus órbitas se utilizan para medir la evolución del campo gravitacional en la región sobrevolada. Este tipo de información juega un papel importante en el estudio de los océanos , la geología y el clima de la Tierra.
GRACE es desarrollado conjuntamente por el Centro de Investigación Espacial de la Universidad de Texas en Austin , el Laboratorio de Propulsión a Chorro en Pasadena , California , la Agencia Espacial Alemana , el Centro Alemán de Investigación de Ciencias de la Tierra en Potsdam . JPL es responsable de la misión general como parte del programa Earth System Science Pathfinder ( ESSP ) de la NASA. Esta misión espacial forma parte del programa Earth Observing System, que reúne a un conjunto de satélites de la NASA encargados de recopilar datos durante largos periodos de tiempo sobre la superficie terrestre, la biosfera , la atmósfera terrestre y los océanos terrestres.
Los mapas generados mensualmente por GRACE son 1.000 veces más precisos que los mapas que existían anteriormente, lo que mejora la precisión de muchas técnicas utilizadas por oceanógrafos , hidrólogos , glaciólogos , geólogos , climatólogos y otros científicos observadores de fenómenos naturales. La medición del campo gravitacional de la Tierra por GRACE permite así a los científicos comprender mejor procesos naturales importantes como, entre otros, la disminución del espesor de las capas de hielo polar, la circulación del agua en los océanos ( circulación termohalina ) o las grandes cuencas hidrográficas. (distribución entre acuíferos y sistema fluvial , tiempo de transferencia y caudales), y los lentos caudales del manto terrestre (sólido), más rápidos en el núcleo exterior (líquido), en el interior de la Tierra.
En oceanología , una de las aplicaciones más importantes es la comprensión de la circulación oceánica global. Los "valles" y "colinas" de la superficie del océano, diferencias en la topografía entre la "superficie real" del océano y el geoide , son producidas por un lado por las corrientes marinas , por otro lado, por variaciones temporales y geográficas en presión atmosférica y campos de viento asociados, y finalmente por variaciones locales en el campo gravitacional. GRACE permite separar estos diversos orígenes y medir mejor las corrientes oceánicas y sus efectos sobre el clima. Los datos de GRACE también son importantes para determinar el origen del aumento del nivel del mar y en qué medida se debe a la masa de agua del derretimiento de los glaciares o la expansión térmica de las aguas cálidas o cambios en la salinidad .
GRACE es la primera misión en la historia de los vuelos espaciales que no utiliza ondas electromagnéticas transmitidas desde la superficie de la Tierra y / o la atmósfera para realizar sus mediciones. GRACE, en cambio, utiliza un sistema de medición de distancia basado en microondas que mide los cambios en la velocidad y la distancia entre dos satélites idénticos que vuelan en la misma órbita polar a una distancia de 220 km entre sí y 500 km sobre la superficie terrestre. El sistema de medición es tan sensible que puede detectar cambios en la distancia de 10 micrones o una décima parte del grosor de un cabello humano en una distancia total de 220 km . Cuando los dos satélites GRACE hacen sus 16 revoluciones diarias alrededor de la Tierra, su trayectoria se ve perturbada por variaciones en el campo gravitacional de la Tierra. Cuando el primer satélite pasa sobre una región donde la gravedad es un poco más importante, el satélite es atraído por la anomalía del campo gravitacional y la distancia al siguiente satélite cambia. Después de atravesar la anomalía, el primer satélite recupera su velocidad normal mientras que los parámetros de trayectoria del segundo satélite se ven afectados a su vez. Midiendo continuamente los cambios en la distancia entre los dos satélites y combinando esta información con las posiciones de los satélites proporcionadas por los receptores GPS , los científicos pueden reconstruir un mapa detallado del campo gravitacional de la Tierra.
Los dos satélites mantienen permanentemente un enlace ascendente y descendente entre ellos. La medición de la distancia se realiza comparando el desplazamiento de frecuencia en este enlace. Para complementar estos datos, los barcos miden sus propios movimientos utilizando acelerómetros. Toda esta información se envía a las estaciones terrestres. Para proporcionar puntos de referencia y mantener la orientación de las embarcaciones, estas utilizan sensores de estrellas, magnetómetros y receptores GPS. Los satélites GRACE también tienen reflectores láser que permiten medir con láser la distancia desde la estación terrestre.
La misión utiliza dos satélites exactamente idénticos. Cada satélite tiene una sección trapezoidal y mide 3,122 metros de largo, 0,72 m de alto y 1,942 m de ancho en la base y 0,693 m en la parte superior. Cada uno de los satélites tiene una masa de 432 kg, incluidos 34 kg de gas utilizado para la propulsión y 40 kg de carga útil . La estructura está realizada en polímero reforzado con fibras de carbono caracterizada por un coeficiente de dilatación térmica muy bajo que garantiza la calidad de las medidas de distancia entre satélites. El satélite se estabiliza en 3 ejes : su orientación en el espacio se mantiene fija mediante seis colectores solares CESS ( Coarse Earth Sun Sensor ) montados a cada lado del satélite. Estos permiten establecer la dirección del Sol con una precisión de 3 a 6 ° y la de la Tierra con una precisión de 5 a 10 grados, un magnetómetro Förster fijado en un polo que afina estas medidas. El apuntado de precisión se realiza utilizando el buscador de estrellas Star Camera Assembly (SCA) derivado de ASC (utilizado por el satélite Ørsted ) y un receptor GPS . Una unidad inercial de 3 ejes completa estos datos. Las correcciones de orientación se realizan utilizando 3 magnetoacopladores y 12 propulsores de gas frío ( nitrógeno ). Las caras superior y lateral del satélite están cubiertas con células fotovoltaicas que proporcionan de 150 a 210 vatios de energía eléctrica, de los cuales 75 son utilizados por la carga útil. De níquel-hidrógeno, las baterías con una capacidad de 16 Ah proporcionan energía cuando el satélite está a la sombra de la Tierra. La vida útil de la plataforma es de 5 años. Aproximadamente el 80% de los componentes electrónicos son componentes adquiridos comercialmente.
KBR ( K / Ka-Band Ranging ) es el principal instrumento del satélite. Su función es medir la distancia entre los dos satélites con una precisión del orden de un micrón. Se basa en el análisis de fase de las señales enviadas por los dos satélites en la banda K y Ka . Cada satélite analiza las señales transmitidas por el otro satélite.
LRI (solo GRACE-FO)LRI ( Laser Ranging Interferometer ) es un instrumento experimental a bordo solo del GRACE-FO y que cumple el mismo objetivo que KBR, es decir, medir la distancia entre los dos satélites. Para ello, utiliza un láser cuya luz se analiza en el otro satélite.
AcelerómetroEl acelerómetro SuperStar, derivado del instrumento STAR a bordo del CHAMP pero con una precisión 10 veces mayor, mide la aceleración gravitacional debida a las fuerzas de arrastre y la presión de radiación (Sol y Tierra) y experimentada por el satélite. SuperStar está montado en el centro de gravedad del satélite.
Reflector laserEl satélite lleva un retrorreflector láser LRA ( Laser Corner-cube Reflector Assembly ) que está iluminado por un láser apuntado desde el suelo, lo que permite medir la altitud de la órbita con una precisión de 1 a 2 centímetros.
Receptor GPSEl receptor GPS se utiliza para determinar con gran precisión la órbita seguida por el satélite y realizar medidas de ocultación de radio. El dispositivo utilizado para GRACE-FO, a diferencia del GRACE, también permite utilizar señales de los sistemas de navegación por satélite europeos Galileo y GLONASS ruso .
Los satélites son construidos por Astrium en Alemania y utilizan su plataforma "Flexbus". Los sistemas de frecuencia de microondas y los algoritmos para controlar y determinar la orientación son proporcionados por Space Systems / Loral . La cámara utilizada para el receptor de estrellas es suministrada por la Universidad Técnica de Dinamarca . La computadora de alta precisión y el receptor GPS son proporcionados por JPL en Pasadena. ONERA proporciona el acelerómetro de alta precisión que se utiliza para aislar los efectos de la atmósfera y el viento solar de las variaciones gravitacionales .
Los satélites GRACE se colocan en órbita en 17 de marzo de 2002por un lanzador Rokot disparado desde el cosmódromo de Plessetsk en Rusia suministrado por la empresa Eurockot . Los dos satélites apodados Tom y Jerry están colocados en la misma órbita polar ubicados a una altitud de 500 kilómetros y con una inclinación orbital de 89 °. La etapa superior del lanzador Briz-KM libera uno de los dos satélites con una velocidad ligeramente superior (0,5 m / s) de modo que quedan separados por una distancia de entre 170 y 270 kilómetros. Posteriormente, los satélites utilizan su propulsión de gas frío para mantener su distancia respectiva dentro de este rango de valores. En ese momento, se esperaba que la altitud de la órbita cayera gradualmente a 300 km al final de la misión principal.
La fase de aceptación finaliza el14 de mayo de 2003. EnOctubre de 2005, La NASA da su acuerdo para la extensión de la misión hasta 2009. En diciembre de 2005, la posición respectiva de los dos satélites se invierte para preservar la antena de trompeta ( banda Ka ) del satélite de cabeza que sufre erosión ligada al impacto de los átomos de oxígeno presentes en la atmósfera residual. La NASA y el DLR decidenjunio de 2010extender la misión hasta el agotamiento de sus propulsores, evento que debería tener lugar entre 2013 y 2015 en función de la actividad solar, el grado de estrés de los motores cohete y el estado de los acumuladores. La degradación de la órbita es mucho menor de lo esperado ya que en 2011 los satélites aún circulaban a una altitud de 455 km. Enseptiembre 2014, la altitud es de 410 kilómetros y disminuye unos 49 metros por día. Cada satélite aún tiene de 9 a 10 kilogramos de gas frío lo que garantiza su funcionamiento al menos hasta 2017. La posición respectiva de los dos satélites se invierte nuevamente enjulio 2014. Durante 2016, los satélites GRACE comenzaron a ver su capacidad operativa muy reducida. La recopilación de datos se ve afectada por la pérdida de varias celdas de los acumuladores y uno de los dos acelerómetros. La NASA desea una recuperación entre GRACE y su sucesor GRACE-FO, cuyo lanzamiento está previsto para finales de 2017. Enoctubre de 2017, la degradación del estado de los acumuladores de uno de los dos satélites lleva al final de la misión. Los propulsores restantes se utilizan para acelerar la reentrada atmosférica y la destrucción de los dos satélites que ocurren en el24 de diciembre de 2017 para GRACE-2 y el 10 de marzo de 2018 para GRACE-1.
A finales de 2012, las dos agencias espaciales lanzaron el desarrollo de una segunda serie de satélites con características muy similares a los originales para continuar las mediciones del campo gravitacional de la Tierra. Las características de los satélites son casi idénticas a las de la misión anterior excepto por un nuevo instrumento que consiste en un interferómetro láser experimental utilizado para medir la distancia entre los dos satélites. El lanzamiento planeado inicialmente enagosto 2017se pospone repetidamente como resultado de problemas con el lanzador. El lanzador Dnepr inicialmente planeado dejó de estar disponible en 2016, luego el lanzador Falcon 9 seleccionado como reemplazo sufrió una explosión en el suelo enseptiembre de 2016lo que adelanta la fecha de lanzamiento por varios meses más. Los dos satélites GRACE-FO despegarán de la base de lanzamiento de Vandenberg ( California ). La carga útil del lanzador Falcon 9 también incluye 5 satélites de telecomunicaciones Iridium NEXT . GRACE-FO despega de Vandenberg en22 de mayo de 2018a las 19:48 y se coloca en una órbita polar a una altitud de 490 kilómetros con una inclinación orbital de 89 °.
Los siguientes resultados se obtienen utilizando datos recopilados por GRACE:
Anomalías del campo gravitacional a nivel de los continentes.
Anomalías del campo gravitacional a nivel del océano.