Magellan (sonda espacial)

Magellan es una sonda espacial interplanetaria estadounidense lanzada en 1989 que produjo el primer mapa detallado de la superficie de Venus . Para penetrar la gruesa capa de nubes que rodea al planeta, la sonda ha implementado un radar de apertura sintética . Durante su misión, la sonda también midió el campo gravitacional del planeta.

El proyecto Magellan es el resultado de la resurrección de un primer proyecto, llamado VOIR, suspendido por razones presupuestarias. Para desarrollar Magellan , la NASA tuvo que sacrificar todos los instrumentos que no fueran el radar y reutilizar muchos componentes desarrollados en otras misiones. La misión fue un éxito total y terminó el12 de octubre de 1994. La sonda lleva el nombre del navegante y explorador portugués Fernand de Magellan .

Contexto

Exploración espacial de Venus

A principios de la década de 1940, se disponía de muy poca información sobre el planeta Venus debido a la capa de nubes que prácticamente impedía cualquier observación con telescopios ópticos.

Aplicaciones espaciales del radar de apertura sintética

El proyecto de la sonda SEE

A principios de la década de 1970, dos equipos de la NASA comenzaron a estudiar una misión de mapeo de Venus utilizando un radar  : el equipo del Centro de Investigación Espacial Ames propuso una nave basada en la sonda Pioneer Venus que el centro estaba desarrollando. Desarrollar mientras JPL propone desarrollar un nuevo espacio. sonda llamada VOIR ( Venus Orbiting Imaging Radar ) equipada con un radar que utiliza una antena parabólica similar a las montadas en las sondas Voyager y Pioneer o una antena de matriz en fase . Para reducir el costo, el centro Ames propone insertar la sonda en una órbita elíptica que requiera menos combustible mientras que la propuesta del JPL es colocar la sonda en una órbita circular: la sonda recolecta así datos a una altitud constante lo que simplifica el reprocesamiento de estos. .

En 1977, la NASA apostó por el desarrollo del proyecto VOIR. Al mismo tiempo, la NASA está desarrollando su dominio del radar de apertura sintética  : en 1978, la agencia espacial lanzó el satélite de observación terrestre Seasat , que fue la primera aplicación espacial civil de este instrumento. Aunque la misión sufrió un fracaso al cabo de cien días, los resultados obtenidos impresionan a la comunidad científica. A principios de la década de 1980, los industriales Martin Marietta Aerospace , Hughes Aircraft y Goodyear Aerospace Corporation presentaron una propuesta para el desarrollo de SEE. La NASA incluye la misión en su presupuesto de 1981 para un lanzamiento del transbordador espacial estadounidense en 1983; esta fecha se retrasa posteriormente a 1986. SEE debe reutilizar ciertos componentes como los paneles solares fabricados como repuestos para el Mariner 10, la electrónica Voyager, el altímetro radar Pioneer Venus y el radar Seasat. Su radar opera en una frecuencia 25  cm más larga que la de los radares aerotransportados para poder perforar la capa particularmente espesa de nubes. Además del radar, VOIR debe llevar varios instrumentos. Se espera que la circularización de la órbita alrededor de Venus se logre utilizando la técnica tartamudeante y arriesgada del aerofreno que ahorra una cantidad significativa de combustible. En 1981, el presidente Ronald Reagan llegó al poder e inmediatamente pidió a la NASA que recortara su presupuesto. La agencia espacial se ve obligada a detener uno de sus principales programas. El proyecto de la sonda VOIR, cuyo costo se estimaba en ese momento en 680 millones de dólares y cuya fecha de lanzamiento se había pospuesto hasta 1988, fue cancelado.

Misión de mapeo de la resurrección de Venus

Inmediatamente después de la cancelación de VOIR, los ingenieros y científicos involucrados desarrollaron un nuevo proyecto para lograr los mismos objetivos a un costo compatible con los requerimientos presupuestarios del momento. Para reducir su costo, la nueva sonda llamada Venus Radar Mapper (VRM) solo lleva un instrumento científico, el radar. La resolución de este, de 500-600 metros, es inferior a la esperada para VIEW. Se prescinde de la órbita circular: la sonda debe colocarse en una órbita elíptica menos costosa en combustible a costa de un reprocesamiento más complejo de los datos porque se recogerán a una distancia variable de la superficie. La antena que se utiliza para el radar es también la que se utiliza para las telecomunicaciones. Por último, la mayoría de los componentes de la sonda son piezas de repuesto de sondas existentes o en desarrollo o actualizaciones de equipos existentes. Aunque no forma parte de los programas de exploración del sistema solar de bajo costo establecidos en ese momento por la NASA ( Observador planetario para los planetas interiores y Mariner Mark II para los planetas exteriores), VRM se hace eco en gran medida de la filosofía. El costo resultante se estimó en ese momento en 300 millones de dólares, es decir, la mitad del proyecto VOIR. En 1984, el proyecto fue seleccionado por la NASA: la agencia no había lanzado el desarrollo de nuevas sondas interplanetarias durante muchos años. Se contrata a la empresa Martin Marietta en Denver para desarrollar la sonda espacial, mientras que la realización del radar se confía a Hughes Space and Telecommunications . La sonda pasó a llamarse Magellan en 1985 en honor al navegante y explorador portugués Fernand de Magellan .

Objetivos científicos de la misión

Los objetivos de la misión Magellan son:

• obtener una imagen de radar de prácticamente toda la superficie de Venus con el equivalente a una resolución óptica de un kilómetro;
• producir un mapa topográfico con una resolución espacial de 50  km y una resolución vertical de 100 metros;
• mapear el campo de gravedad del planeta con una resolución de 700  km y una precisión de 2 a 3 miligales (1 gal = 1 cm / s 2 );
• lograr una comprensión integral de la estructura geológica del planeta, incluida su distribución de densidad y dinámica.

Características de la sonda espacial

Magellan es una sonda espacial que pesa 3.453  kg, incluidos 2.146  kg para el motor responsable de insertar la sonda en órbita alrededor de Venus. Cuando se despliegan sus paneles solares, la sonda forma un conjunto de 4,6 metros de altura y una envergadura de 10 metros. Magellan incluye de arriba a abajo (ver diagrama 1 ):

• La antena parabólica de gran ganancia de 3,7 metros de diámetro es una estructura formada por capas de grafito epoxi sobre un núcleo de nido de abeja de aluminio. Sirve tanto como antena de radar como antena de telecomunicaciones. Se le adjunta una antena en forma de cuerno que se utiliza para las mediciones altimétricas: es una estructura de aluminio de 1,5 metros de largo y un peso de 6,8  kg  ;
• el compartimento delantero, formando un paralelepípedo rectangular de 1,7 × 1 × 1,3 metros en aluminio mecanizado químicamente para aligerarlo, contiene la electrónica de radar y telecomunicaciones, así como el sistema de control de actitud. El calor liberado por este compartimento, que consume 200 vatios de electricidad, se evacúa a través de lamas;
• dos paneles solares orientables están unidos mediante ejes pivotantes a dos de los lados del compartimento frontal;
• la plataforma de la sonda es una estructura de aluminio en forma de prisma recto de 12 lados con un diámetro de 2 metros y un grosor de 42,4  cm . Es un legado del programa Voyager. Sus diez compartimentos contienen en particular la computadora de vuelo, el sistema de almacenamiento de datos, la electrónica que controla la orientación de los paneles solares y los dispositivos pirotécnicos. Su centro hueco contiene el depósito de hidracina que alimenta los motores de la sonda espacial;
• un conjunto de vigas que forman una cruz que soporta en cada uno de sus extremos varios motores cohete destinados a realizar maniobras orbitales y controlar la orientación de la sonda espacial. En el centro de estas vigas hay un tanque que contiene el helio utilizado para presurizar la hidracina inyectada en los motores;
• la etapa de cohete propulsor sólido de 2.146  kg responsable de insertar la sonda espacial en órbita alrededor de Venus.

Muchos componentes de la sonda se han desarrollado en el marco de otras misiones: Voyager ( plataforma , antenas), Galileo (ordenador de a bordo, distribución eléctrica), Ulises ...

Telecomunicaciones

La sonda espacial Magellan utiliza la banda S (transmisor de 5 vatios) para enviar información sobre su funcionamiento a la Tierra y la banda X (transmisor de 20 vatios) para transmitir datos científicos recopilados en Venus. La antena parabólica de gran ganancia , heredada del programa Voyager, se utiliza para transmitir los datos recopilados mediante el radar. Su velocidad es de 268,8 o 115 kilobits por segundo, dependiendo del tamaño de la antena receptora en la Tierra. El haz de anchura es 2,2 ° en banda S y 0,6 ° en la banda X . Cuando no se puede usar la antena de alta ganancia (especialmente cuando la usa el radar y apunta hacia la superficie de Venus), la sonda puede usar una antena de ganancia media unida al compartimiento frontal o una antena de baja ganancia. Omnidireccional fijo en la fuente de la antena de alta ganancia. La antena de ganancia media de forma cónica tiene un ancho de haz de 18 °. Se utiliza en particular durante las maniobras de inserción en órbita alrededor de Venus y durante determinadas fases de tránsito entre la Tierra y Venus. También se puede utilizar en situaciones de emergencia cuando la antena de alta ganancia no apunta a la Tierra con suficiente precisión. La antena omnidireccional de baja ganancia tiene un ancho de haz de 180 °. Se utiliza en particular para recuperar el control de la sonda espacial cuando el sistema de control de actitud falla.

Energía

La energía es suministrada por dos paneles solares orientables que entregan 1200 vatios en la órbita de Venus. Los paneles solares de 2,5 × 2,5 metros se pliegan sobre el cuerpo de la sonda durante el lanzamiento y se despliegan una vez que la sonda está en el espacio. Para mantener la temperatura de los paneles solares por debajo de 115  ° C , el 35% de la superficie del lado de la celda solar y el 100% del lado posterior están cubiertos con espejos reflectantes.

Propulsión

La inserción en órbita alrededor de Venus se lleva a cabo mediante una etapa de cohete de propulsor sólido de 2.246  kg STAR-48B, incluidos 2.014  kg de propulsor. Este motor de climax fue desarrollado para colocar satélites de telecomunicaciones en su órbita geoestacionaria . Las maniobras orbitales y las correcciones de orientación son manejadas por varios propulsores de propulsor único que utilizan hidracina colocada en los cuatro extremos de la estructura en forma de cruz ubicada en la parte posterior de la sonda. En cada una de las cuatro esquinas hay dos motores de cohete con un empuje de 445 newtons usados ​​para correcciones importantes de trayectoria u órbita, un motor de cohete 22N usado para limitar el balanceo durante estas maniobras y un grupo de 3 propulsores de 0.9 N para control de orientación.

Control de actitud

La sonda Magellan está estabilizada en tres ejes, es decir que su orientación está fija en un marco de referencia estelar. El sistema de control de actitud tiene una gran demanda ya que en cada órbita la sonda cambia completamente su orientación cuatro veces para girar su antena principal alternativamente hacia el suelo de Venus y hacia la Tierra. Durante un ciclo de 243 días, esto representa 7.800 cambios de actitud. Para evitar tener que llevar grandes reservas de combustible asignadas a esta tarea, Magellan utiliza ruedas de reacción para corregir o modificar la orientación de la sonda asistida por los pequeños propulsores de 0.9 newton de empuje asignados a esta tarea. La orientación se comprueba periódicamente mediante sensores solares y un buscador de estrellas .

Otros sistemas

Cuando el radar está en funcionamiento, los datos recopilados se registran temporalmente antes de la retransmisión en dos grabadoras de cinta magnética redundantes, heredadas de la sonda Galileo .

Instrumentación científica

Por razones de costo, Magellan solo envía un instrumento científico. El radar de apertura sintética SAR ( Synthetic Aperture Radar ) opera en la frecuencia 2.385  GHz consumiendo 325 vatios. Su antena puede escanear una banda con un ancho de hasta 25  km . Los datos recopilados representan un volumen de 806 kilobits por segundo.

El radar SAR puede desempeñar tres funciones:

• puede mapear con una resolución de 150 metros;
• se puede utilizar como altímetro para medir relieves con una resolución de 30 metros;
• Finalmente, puede medir la temperatura del suelo ( radiómetro ) con una precisión de 2  grados centígrados.

• Esquema global de recopilación de datos científicos.

• Medidas radar y altimétricas.

• Secuencia elemental de transmisiones de radar altimétricas y radiométricas.

Realización de la misión

Lanzamiento y órbita alrededor de Venus

La sonda Magellan iba a ser lanzada por el transbordador espacial estadounidense en 1988: debía dejarla caer en órbita baja, luego se tenía que disparar una etapa Centaur G unida a la sonda para colocar la sonda en una órbita de transferencia al planeta Venus. Pero el accidente del Challenger alteró el apretado programa de lanzamiento de los transbordadores, al imponer un período de moratoria durante el cual no es posible el lanzamiento. La sonda espacial se lanza en4 de mayo de 1989por el transbordador espacial Atlantis ( misión STS-30 ). La nave tarda 462 días en llegar a su destino y situarse en su órbita alrededor de Venus.

Órbita de trabajo

La sonda espacial Magellan se mueve alrededor del planeta Venus en una órbita polar elíptica de 294  km ( periapsis ) por 8.543  km ( apoapsis ) y una inclinación de 86 ° que la sonda atraviesa en 189 minutos. La inclinación se eligió para que la sonda vuele a menor distancia las áreas del Polo Norte, que presentan características que intrigan a los científicos, más que el Polo Sur. La sonda recopila datos cuando pasa lo más cerca posible del planeta, por lo tanto, cuando sobrevuela uno de los dos hemisferios del planeta (ver diagrama). La rotación del plano orbital debido a las irregularidades del campo de gravedad es muy baja porque, a diferencia de la Tierra, Venus es una esfera casi perfecta. Además, la velocidad de rotación de Venus sobre sí misma es lenta porque el período de rotación sideral dura 243 días terrestres. Como resultado, la trayectoria terrestre de la sonda está compensada en solo 20  km al nivel del ecuador de una órbita a la siguiente. La superposición entre las áreas cartografiadas (ancho de la franja cartografiada por el radar: 25  km ) entre dos pasadas sucesivas es, por tanto, significativa. La superposición es aún mayor en latitudes altas , por lo que la sonda alterna una órbita durante la cual el radar escanea las latitudes entre 56 ° sur y 90 ° norte con una órbita donde se mapean las latitudes entre 70 ° sur y 56 °. ° norte. La antena del radar está inclinada 35 ° para que los datos recopilados proporcionen una mejor visión general del terreno. Como la órbita no es circular, la distancia al suelo varía durante la fase de funcionamiento del radar.

De los 189 minutos que dura un viaje en órbita, solo 37 minutos se asignan a observaciones de radar. Durante el resto de su viaje, la sonda pasa la mayor parte del tiempo transmitiendo los datos recopilados. Después de la fase de recolección de datos, la sonda dirige su antena hacia la Tierra y luego transmite los datos en dos sesiones separadas de 57 minutos cuando la sonda se encuentra en el punto de su órbita más alejado del planeta por una distancia corta. Fase de reajuste del control de actitud . La orientación de la antena se cambia nuevamente antes de que la sonda comience una nueva pasada a baja altitud sobre la superficie del planeta.

Los "ciclos" de la misión

La misión se divide en ciclos: cada ciclo tiene una duración de 243 días que corresponde a un período de rotación sideral de Venus. Al final de un ciclo, Venus dio un giro completo sobre sí mismo y todo el planeta desfiló bajo los instrumentos de la sonda Magallanes . La longevidad de la sonda hizo posible mapear el planeta durante 5 ciclos entre15 de septiembre de 1990 y el 23 de agosto de 1994.

Durante el primer ciclo, que se extiende desde 15 de septiembre de 1990 a 14 de mayo de 1991, El 83,7% de la superficie de Venus está cartografiada con la antena del radar inclinada hacia la izquierda. La altitud de la sonda varía de 2000  km a nivel del polo norte a 290 ° a 9.5 ° de latitud norte. El área mapeada se extiende desde el Polo Norte hasta los 75 ° de latitud Sur. En el Polo Norte, la resolución es de 100 a 110 metros según la latitud.

El objetivo del segundo ciclo, que se extiende desde 15 de mayo de 1991 a 14 de enero de 1992, consiste en mapear las áreas que no lo fueron durante el ciclo 1, en particular la región del polo sur. El 54,5% de la superficie de Venus está cartografiada con la antena del radar inclinada hacia la derecha, lo que proporciona una cobertura general con el ciclo 1 del 96%.

El objetivo del tercer ciclo, que se extiende desde 15 de enero de 1992 a 13 de septiembre de 1992, consiste en tomar imágenes que, combinadas con las del ciclo 1, proporcionen imágenes estéreo. La antena del radar está inclinada hacia la izquierda pero en un ángulo ligeramente diferente al del ciclo 1. Durante el ciclo 3, el 21,3% de la superficie de Venus y la cobertura total es del 98%.

El objetivo del cuarto ciclo, que se extiende desde 14 de septiembre de 1992 a 23 de mayo de 1993, consiste en realizar mediciones del campo de gravedad de Venus. La antena apunta a la Tierra y los cambios de aceleración debidos a variaciones en la intensidad de la gravedad se miden mediante el desplazamiento Doppler de las emisiones de radio. La precisión de la medición es de 0,1 mm / s 2 .