NASA-rumfartøjet forbereder sig på at flyve til nye højder

Den 9. feb. 2017, NASA's Magnetospheric Multiscale mission, kendt som MMS, begyndte en tre måneder lang rejse ind i en ny bane. MMS flyver i en meget elliptisk bane rundt om Jorden, og den nye bane vil tage MMS dobbelt så langt ud, som den tidligere har fløjet. I den nye bane, som begynder anden fase af sin mission, MMS vil fortsætte med at kortlægge de grundlæggende karakteristika af rummet omkring Jorden, hjælper os med at forstå denne nøgleregion, som vores satellitter og astronauter rejser igennem. MMS vil flyve direkte gennem områder - hvor gigantiske eksplosioner kaldet magnetisk genforbindelse forekommer - aldrig før observeret i høj opløsning.

Lanceret i marts 2015, MMS bruger fire identiske rumfartøjer til at kortlægge magnetisk genforbindelse - en proces, der opstår, når magnetiske felter kolliderer og genjusterer eksplosivt til nye positioner. NASA-forskere og ingeniører flyver MMS i en hidtil uset tæt formation, der gør det muligt for missionen at rejse gennem områder, hvor solens magnetfelter interagerer med Jordens magnetfelter - men det er langt fra nemt at holde fire rumfartøjer i formation.

"Dette er en af ​​de mest komplicerede missioner, Goddard nogensinde har udført med hensyn til flyvedynamik og manøvrer, " sagde Mark Woodard, MMS-missionsdirektør ved NASAs Goddard Flight Space Center i Greenbelt, Maryland. "Ingen nogen steder har lavet formationsflyvning på denne måde før."

For at danne et tredimensionelt billede af genforbindelse, missionen flyver fire individuelle satellitter i en pyramideformation kaldet et tetraeder. Mens en tidligere fælles ESA (European Space Agency)/NASA-mission fløj i en lignende formation, MMS er den første til at flyve i en så ekstremt snæver formation - kun fire miles fra hinanden i gennemsnit. Vedligeholdelse af denne tætte adskillelse muliggør kortlægning i høj opløsning, men tilføjer en ekstra dimension af udfordring til flyvende MMS, som allerede er en kompleks opgave.

At flyve et rumfartøj, som man kunne mistænke, er intet som at køre bil. I stedet for kun at fokusere på to dimensioner – venstre og højre, frem og tilbage - du skal også overveje op og ned. Tilføj dertil, at holde de fire MMS-rumfartøjer i den specifikke tetraedriske formation, der er nødvendig for tredimensionel kortlægning, og du har noget af en udfordring. Og glem ikke at undgå rumaffald og andre rumfartøjer, der kan krydse din vej. Åh, og hvert rumskib snurrer som en top, tilføjer endnu et lag til den svimlende kompleksitet.

"Typisk, det tager omkring to uger at gennemgå hele proceduren med at designe manøvrer, " sagde Trevor Williams, MMS flyvedynamik fører til NASA Goddard.

Williams leder et team på omkring et dusin ingeniører for at sikre, at MMS's kredsløb forbliver på sporet. I en normal uge med operationer, manøvrerne, som er omhyggeligt udformet og beregnet på forhånd, afsluttes på et møde i starten af ​​ugen.

For at beregne dens placering, MMS bruger GPS, ligesom en smartphone. Den eneste forskel er, at denne GPS-modtager er langt over Jorden, højere end de GPS-satellitter, der sender signalerne ud.

"Vi bruger GPS til at gøre noget, det ikke er designet til, men det virker, " sagde Woodard.

Da GPS blev designet med jordbundne brugere i tankerne, signaler udsendes nedad, gør det svært at bruge ovenfra. Heldigvis, signaler fra GPS-satellitter sendes bredt for at dække hele planeten, og som følge heraf smyger nogle fra den fjerne side af planeten rundt om Jorden og fortsætter op i rummet, hvor MMS kan observere dem. Ved at bruge en speciel modtager, der kan opfange svage signaler, MMS er i stand til at forblive i konstant GPS-kontakt. Rumfartøjet bruger GPS-signalerne til automatisk at beregne deres placering, som de sender ned til flyvekontrolhovedkvarteret i Goddard. Ingeniørerne bruger derefter denne positionering til at designe manøvrerne til rumfartøjets kredsløb.

Mens kredsløbet for hvert MMS-rumfartøj er næsten identisk, der skal laves små justeringer for at holde rumfartøjet i en tæt formation. Ingeniørerne stoler også på rapporter fra NASA's Conjunction Assessment Risk Analysis, som identificerer placeringen af ​​rumaffald og giver besked, når genstande, som en gammel kommunikationssatellit, kan krydse MMS's vej. Selvom intet endnu har været i fare for at kollidere med MMS, besætningen har en forberedt backup-plan - en undvigemanøvre - hvis behovet skulle opstå.

På planlagte onsdage, en eller to om måneden, kommandoerne sendes op til rumfartøjet for at justere den tetraedriske formation og foretage eventuelle nødvendige banejusteringer. Disse kommandoer fortæller MMS at affyre sine thrustere i korte stød, at drive rumfartøjet til dets tilsigtede placering.

At flytte MMS er en langsom proces. Hvert rumfartøj er udstyret med thrustere, der giver fire punds tryk, men de vejer også næsten et ton hver. Rumfartøjet snurrer som toppe, så timingen af ​​hver burst skal synkroniseres præcist for at skubbe rumfartøjet i den rigtige retning.

Den næste dag, når rumfartøjet er på deres rette placeringer, en anden runde af kommandoer gives for at affyre thrusterne i den modsatte retning, at fikse rumfartøjet i formation. Uden denne kommando, rumfartøjet ville overskride deres tilsigtede positioner og glide fra hinanden uden modstandskræfter til at stoppe dem.

I modsætning til fly, som konstant affyrer deres motorer for at holde i bevægelse, rumfartøjerne er afhængige af deres momentum til at bære dem rundt i deres kredsløb. Kun korte stød fra deres thrustere, varer kun et par minutter, er forpligtet til at opretholde deres dannelse og foretage mindre justeringer af kredsløbet.

"Vi bruger 99,9 procent af tiden på friløb, fordi vi skal være sparsomme med brændstoffet, " sagde Williams.

Lanceret med 904 pund brændstof, rumfartøjet har kun brugt omkring 140 pund i deres første to driftsår. Imidlertid, at sende MMS ud i en bredere bane for sin anden fase vil forbruge omkring halvdelen af ​​det resterende brændstof - og der er ingen tankstationer i rummet til tankning. Operationspersonalet planlægger omhyggeligt hver manøvre for at minimere brændstofforbruget. Typiske manøvrer tager mindre end et halvt pund brændstof, og besætningen håber, at deres brændstofbesparende indsats vil spare MMS nok brændstof til at tillade udvidede undersøgelser efter afslutningen af ​​den primære mission.

Den nye elliptiske bane vil bringe MMS til inden for 600 miles over Jordens overflade ved dens nærmeste tilgang, og ud til omkring 40 procent af afstanden til månen. Tidligere, rumfartøjet gik kun ud en femtedel (20 procent) af afstanden til månen.

I den første fase af missionen, MMS undersøgte solsiden af ​​Jordens magnetosfære, hvor solens magnetfeltlinjer forbindes med jordens magnetfeltlinjer, tillader materiale og energi fra solen at tragte ind i det nære Jord-rum. I anden fase, MMS vil passere gennem natsiden, hvor genforbindelse menes at udløse nordlys.

Ud over at hjælpe os med at forstå vores eget rummiljø, At lære om årsagerne til magnetisk genforbindelse kaster lys over, hvordan dette fænomen opstår i hele universet, fra nordlys på jorden, til udbrud på solens overflade, og endda til områder omkring sorte huller.

Mens MMS ikke vil bevare sin tetraedriske formation, når den bevæger sig til sin nye bane, den vil fortsætte med at tage data om de miljøer, den flyver igennem. Operationspersonalet forventer, at MMS når sit nye kredsløb den 4. maj, 2017, på hvilket tidspunkt det vil være tilbage i formation og klar til at indsamle nye 3-D videnskabelige data, da dens elliptiske bane fører den gennem specifikke områder, der menes at være steder for magnetisk genforbindelse.