Van Allen Probes forbereder sig på den endelige nedstigning til Jordens atmosfære

To hårde, modstandsdygtige NASA-rumfartøjer har kredset om Jorden i de sidste seks et halvt år, gentagne gange flyver gennem en farlig zone af ladede partikler kendt som Van Allens strålingsbælter. Tvillingerne Van Allen Probes har bekræftet videnskabelige teorier og afsløret nye strukturer, kompositioner, og processer, der arbejder i disse dynamiske regioner.

I februar, Van Allen Probes missionens operationsteam på Johns Hopkins Applied Physics Laboratory – hvor sonderne blev designet og bygget – påbegyndte en række kredsløbsmanøvrer, der vil positionere satellitterne til en eventuel genindtræden i Jordens atmosfære om cirka 15 år.

"I den nye højde, aerodynamisk modstand vil bringe satellitterne ned og til sidst brænde dem op i den øvre atmosfære, " sagde Nelli Mosavi, projektleder for Van Allen Probes hos APL. "Vores mission er at opnå store videnskabelige data og også at sikre, at vi forhindrer mere rumaffald, så de næste generationer har mulighed for også at udforske rummet."

Oprindeligt udpeget som en to-årig mission, fordi ingen troede på, at et rumfartøj kunne overleve længere i de barske strålingsbælter, der omgiver Jorden, disse robuste rumfartøjer har fungeret uden hændelser siden 2012 og fortsætter med at muliggøre banebrydende opdagelser om Van Allens bælter.

"Rumfartøjet og instrumenterne har givet os en utrolig indsigt i rumfartøjers operationer i et miljø med høj stråling, " sagde Mosavi. "Alle på missionen føler en reel følelse af stolthed og præstation over det arbejde, vi har udført, og den videnskab, vi har leveret til verden - selv når vi begynder at de-kredse manøvrer."

Et hårdt miljø

Jordens strålingsbælter består af energiforsynede partikler - protoner og elektroner - fanget i evig kredsløb om planeten.

"Vi ved, at andre planeter i vores solsystem med magnetfelter har strålingsbælter, " sagde Sasha Ukhorskiy, en projektforsker ved APL. "Vi kan antage, at andre kroppe i hele universet også gør det. Ved at studere bælterne og den fysik, der er forbundet med dem her på Jorden, og bruge vores verden som et naturligt laboratorium, vi kan lære om, hvordan disse strukturer fungerer omkring andre objekter i universet med magnetiske felter."

Det magnetiske felt, der omgiver Jorden, skaber en boble kendt som magnetosfæren, som beskytter planeten mod plasma-eksplosioner sendt ud af solen. Men det tjener også til at fange partikler og kan i sidste ende sætte disse højenergipartikelpopulationer ned i strålingsbælter rundt om Jorden.

En kompleks kæde af processer forekommer i dette nær-jordiske miljø, fungerer som en gigantisk partikelaccelerator og accelererer nogle partikler op til næsten lysets hastighed - mere end 670 millioner miles i timen. Disse stærkt energiførende partikler i strålingsbælterne kan udgøre en række farer for rumoperationer, da de kan beskadige følsom elektronik.

Under solstorme, forholdene forværres, og bælterne kan svulme i størrelse, truer nærliggende rumfartøjer.

"Vores magnetfelt gør et ret godt stykke arbejde med at beskytte os mod disse soleksplosioner, sagde David Sibeck, en missionsforsker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Men noget af deres energi trænger dybt ind i jordens felt og, gennem en række forskellige mekanismer, forstærker strålingsbælterne. Når det sker, rumfartøjer i bælterne må hellere passe på:Problemer venter forude i form af kortslutninger, forstyrret computerhukommelse, og instrumentfejl."

Van Allen-sonderne blev designet og bygget til at være modstandsdygtige i dette ekstreme miljø - og selv deres bygherrer blev overrasket over deres evne til at modstå så barske forhold.

"I løbet af de sidste seks et halvt år, Van Allen-sonderne har gennemført tre fulde kredsløb rundt om magnetosfæren, og målte mere end 100 geomagnetiske storme, "Ukhorskiy sagde. "Van Allen Probes verificerede og kvantificerede tidligere foreslåede teorier, opdagede nye mekanismer, der kan forme energetiske partikelpopulationer nær Jorden, og brugte unikke instrumenter til at afsløre uventede funktioner, der næsten var usynlige for tidligere sensorer."

Oplysningerne om partikler og bølger leveret af Van Allen Probes har vist sig at være en skattekiste for rumfysikforskning. Fund og observationer omfatter flere bæltestrukturer, inklusive et tredje bælte observeret kort efter lanceringen; definitive svar om partikelaccelerationsprocesser; og opdagelsen af ​​et næsten uigennemtrængeligt barriereområde, der forhindrer de hurtigste og mest energiske elektroner i at nå Jorden.

"Dataene fra Van Allen Probes har ført til mere end 560 artikler publiceret i peer-reviewed videnskabelige tidsskrifter siden lanceringen af ​​missionen, " Ukhorskiy sagde. "De fleste af disse artikler ledes af forfattere, der ikke er direkte tilknyttet missionens videnskabshold. Og publiceringsraten er støt vokset siden missionens lancering; hver fjerde dag, en ny artikel er publiceret i et internationalt peer-reviewed tidsskrift."

Bygget til at overleve

Siden deres opsendelse fra Cape Canaveral Air Force Station, Florida, den 30. august, 2012, tvillingen Van Allen Probes har givet videnskabsmænd et hidtil uset kig på makeup og processer i bælterne. Sonderne - kendt som rumfartøjer A og B - var det første rumfartøj designet til at bruge år på at operere inden for og studere strålingsbælterne, en region, som de fleste rumfartøjsmissioner undgår på grund af miljøets skadesrisiko.

"At designe rumfartøjet og instrumenterne til at modstå et meget hårdt strålingsmiljø var den hårdeste udfordring for Van Allen Probes under design og udvikling, " sagde Rick Fitzgerald, som fungerede som missionens projektleder hos APL fra 2007 til 2012. "Stråling kan forårsage skade på elektronik, fører til uregelmæssig adfærd eller direkte svigt. Vi sænkede risikoen for fejl gennem en streng designgennemgang, omhyggeligt udvalg af elektronikdele, og omfattende test af dele og materialer."

For at beskytte rumfartøjernes følsomme elektronik, holdet tilføjede skjolde omkring instrumenterne for at forhindre akkumulering af elektriske ladninger. "Alle integrerede kredsløb blev designet til at overleve i bælterne, og rumfartøjet har et fejlstyrings- og autonomisystem, som afbøder påvirkningerne af miljøet ved at nulstille elektronikken som reaktion på enkelthændelseseffekter, " sagde APLs Kristin Fretz, mission system engineer fra 2013 til 2018.

Designet har været op til udfordringen.

"Vi har haft meget få øjeblikkelige fejl eller 'forstyrrelser' af vores elektronik i kredsløb, og ingen elektronikboksfejl til dato, " Fitzgerald sagde. "Dette er den sande validering af alt det hårde arbejde, der er lagt i design- og testprogrammet før lanceringen."

Rumfartøjets og instrumenternes levetid og modstandsdygtighed betyder, at de ikke kun stadig leverer store mængder data til Jorden, de underviser også rumfartøjsingeniører om operationer i bælterne.

"Van Allen-sonderne er i det væsentlige blevet et live-testanlæg til at forstå, hvordan elektronik og materialer kan overleve hård stråling, " Fitzgerald sagde. "De seks et halvt år i kredsløb giver nye data, der skal bruges i de modeller, der bestemmer, hvordan man fremstiller, hvordan man vælger, og hvordan man forudsiger ydeevnen af ​​dele og materialer i kredsløb."

Afsluttende manøvrer

Rumfartøjet fortsætter med at fungere optimalt, og drivmiddelforsyninger er rigelige. Imidlertid, NASA-reglerne kræver kontrolleret de-orbit og fjernelse fra kredsløb af alle rumfartøjer efter en periode på 25 år fra afslutningen af ​​missionen. For at opfylde dette krav, Van Allen Probes-holdet begyndte i 2017 at planlægge, hvordan man sænker rumfartøjet ned i baner, der til sidst ville henfalde og føre til genindtrængen gennem atmosfæren, sikkert opløse dem.

"Hvis vi ikke lavede disse manøvrer, Van Allen-sonderne ville fortsætte med at kredse i hundreder eller tusinder af år, præsenterer et potentielt problem for fremtidige satellitaktiviteter, " sagde APLs Justin Atchison, Van Allen Probes missionsdesigner.

For at sænke rumfartøjet, missionens operationsteam skal udføre manøvrerne på et meget specifikt punkt i kredsløbet og på et bestemt tidspunkt af året, og skal udføre operationen i etaper, snarere end én lang motorbrænding.

"Vi er nødt til at manøvrere, når satellitterne er på deres højeste banepunkt væk fra Jorden, eller hvad der er kendt som apogee, " sagde Atchison. "Ideelt set, vi ville lave hele baneændringen i en enkelt manøvre på en enkelt dag. Imidlertid, vi er begrænset af thrusternes kapacitet, som typisk kun bruges til meget små manøvrer for lidt at justere kredsløbet eller pegningen. Så vi er nødt til at dele manøvren op i mindre segmenter for at nå målet."

Holdet har øvet og øvet den banesænkende kampagne og er klar til at begynde denne nye fase af missionens liv.

"Van Allen Probes-missionen har gjort et enormt stykke arbejde med at karakterisere strålingsbælterne og give os den omfattende information, der er nødvendig for at udlede, hvad der foregår i dem, " sagde Sibeck. "Mere end seks år med uafbrudt spænding og opdagelser, der giver os den nødvendige information for at sikre, at rumfartøjer kan overleve i nogle af de barskeste miljøer, som menneskeheden kender. Faktisk, selve overlevelsen af ​​disse rumfartøjer og alle deres instrumenter, stort set uskadt, efter alle disse år er en bedrift og en lektion lært om, hvordan man designer rumfartøjer."