ExoMars radiovidenskabsinstrument klargjort til Red Planet

Et ambitiøst instrument til ESA's ExoMars 2020-mission har bestået sin test under forhold, der ligner dem på den røde planet. Det vil nu blive transporteret til Rusland for dets acceptgennemgang, efterfulgt af integration på Kazachok Surface Platform, planlagt til lancering denne gang næste år.

8 x 8 x 20 cm plus en trio af antenner, ESA's Lander Radioscience eksperiment, eller LaRa for kort, er en smule større end en 1-liters mælkekarton. Men den fungerer som en højtydende transponder, til opgave at opretholde en ekstremt stabil direkte radiofrekvensforbindelse mellem Jorden og Mars i et helt Mars-år - to jordår - når ExoMars er landet.

Foreslået af Royal Observatory of Belgium, LaRa er udviklet gennem ESA's PRODEX-program – fokuseret på at udvikle videnskabelige eksperimenter for rummet – og finansieret af det belgiske rumpolitikkontor.

Den seneste test af LaRa fandt sted i ESA's Mechanical Systems Laboratory (MSL) ved agenturets tekniske hjerte ESTEC i Noordwijk, Holland. Dette er en lille udgave af det tilstødende ESTEC Test Center, i stand til at udføre en lang række rumsimulerende tests, men tjener rumfartøjsinstrumenter, delsystemer eller mini-satellitter frem for missioner i fuld størrelse.

Efter vibrationstest på en af ​​MSL-rystemaskinerne for at simulere de barske forhold ved opsendelsen, atmosfære genindtræden, nedstigning og Mars-landing, LaRa blev derefter placeret inde i et termisk vakuumkammer i næsten to uger for at udføre funktionel test under varme og kolde forhold.

Den blev først anbragt i højvakuum for at udlufte dampe, der ellers kunne skabe problemer i rummet, og for at teste dens adfærd under forhold, der ligner rejsen til Mars. LaRa blev derefter udsat for simulerede Mars-forhold, med 6 millibar kuldioxid tilsat til kammeret, samtidig med at temperaturen blev cyklet op og ned.

LaRas elektroniske boks vil blive holdt varm af ExoMars landerens varmelegeme. LaRas antenner er imidlertid installeret uden for dette termisk kontrollerede miljø og vil skulle tåle ekstreme temperaturcykler:nætter så kolde som -90°C, med dagtimerne op til relativt behagelige 10°C. Det resulterende nye antennedesign blev udviklet i samarbejde mellem ESA og Université Catholique de Louvain.

Ved afslutningen af ​​testen blev det termiske vakuumkammer åbnet. Ingeniører nærmede sig instrumentet iført mundmasker, kjoler og sterile handsker – der ligner et hospitalskirurgisk team – fortsatte derefter med at fjerne de sensorer og kabler, der var monteret til testen, før instrumentet og dets antenner blev anbragt i sterile poser.

Som al hardware designet til interplanetariske missioner, LaRa er underlagt strenge planetariske beskyttelsesprotokoller for at forhindre mikrobiel kontaminering.

"Instrumentets overflader vaskes regelmæssigt for at kontrollere, at dets "biobyrde"-niveauer forbliver acceptable, " forklarer Lieven Thomassen fra LaRa hovedentreprenør Antwerp Space. "Dets interiør, består af fire niveauer af printkort, har allerede gennemgået fuld rengøring. Det er næsten fuldstændig forseglet væk fra omverdenen, med kun et udluftningshul på 2 mm i diameter for at undgå overtryk, når først LaRa når plads."

LaRa er et af to ESA-instrumenter på den russiskbyggede ExoMars Surface Platform. Kendt som Kazachok - for "Little Cossack" - platformens første rolle er at få sig selv og den ESA-fremstillede Rosalind Franklin ExoMars rover sikkert ned til Oxia Planum lavlandet på Mars. når roveren kører af sine ramper, Kazachok vil hellige sig at køre i alt 13 eksperimentpakker ombord. Surface Platform er udviklet af NPO

LaRa vil modtage et X-bånds radiosignal fra Jorden, som det derefter vil videresende tilbage igen. Ved omhyggeligt at måle små Doppler-skift i dette tovejssignal over tid, forskere vil være i stand til at identificere små periodiske skift i overfladeplatformens position over tid, åbner op for en uvurderlig udsigt til Mars' indre.

"LaRa vil afsløre detaljer om planetens indre struktur, og tillade præcise målinger af dens rotation og orientering, " kommenterer Véronique Dehant fra Royal Observatory Belgium, instrumentets hovedefterforsker.

"Det vil også detektere variationer i vinkelmomentum på grund af omfordeling af masser, såsom sæsonbestemt masseoverførsel i kuldioxid, når en del af atmosfæren fryser til is. Sidst men ikke mindst vil LaRa også tillade den nøjagtige bestemmelse af den præcise landingsposition."

Som en jordbaseret analog, forestil dig et snurrende æg - du kan bare se på dets vaklende bevægelse, om dets inderside er flydende eller hårdkogt.

Men udfordringen er at opretholde den ultrastabile direkte radioforbindelse under LaRas planlagte driftsplan på to 1-times sessioner om ugen, især når Mars kredser til sit maksimum 401 millioner km væk fra Jorden.

"På den jordiske side, vi vil bruge gigantiske 70-m klasse antenner af NASA's Deep Space Network eller den russiske ækvivalent ved Kalyazin eller Bear Lakes, at transmittere X-bånds radiosignalet mod Mars og at opfange dets forsinkede replika videregivet af LaRa og "Doppler-signeret" af Mars – alt dette med så lavt som 5 W radioeffekt genereret af LaRa, " forklarer ESAs mikrobølgeingeniør Václav Valenta, styring af LaRa-projektet.

"Men LaRa på Mars vil have brug for tilstrækkelig følsomhed til at detektere radiosignaler så lavt som få attowatt - trillioner af en watt. Når Mars og Jorden kommer tættere på - på deres nærmeste blot 54,6 millioner km - så vil Europas Etrack-jordstationer være i stand til at lukke også link til LaRa.

"Sådanne scenarier blev testet med succes under to radiofrekvenskompatibilitetstestkampagner i ESA's ESOC-missionskontrolcenter i Darmstadt, Tyskland."

Den sparsomme Mars-atmosfære er en komplicerende faktor. På plussiden muliggør dens tilstedeværelse konvektion til at bortføre spildvarme. Men selvom det er mere end hundrede gange tyndere end jordens luft, radiofrekvensdrift inde i den efterlader stadig en risiko for koronaeffekter - ionisering af lokale gasser, som kan føre til interferens og potentielt skadelig lynlignende udledning.

"For at eliminere enhver coronarisiko, LaRa har tidligere været udsat for streng analyse og test på ESA's High Power Radio Frequency Laboratory i Valencia, Spanien, " tilføjer Václav.

"Det har også gennemgået test inde i ESTECs Maxwell-kammer for elektromagnetisk kompatibilitet, for at kontrollere, at alle dens elementer fungerer korrekt sammen. I øvrigt, en dedikeret stødmodel af LaRa blev udviklet og testet på ESTEC Test Center for at verificere robustheden af ​​LaRa mod mekaniske stød induceret af adskillelse af bæremodulet og varmeskjoldudstødning."

Da test af LaRa i MSL var afsluttet, blev instrumentet flyttet til ESA's Metrology Laboratory, for præcise målinger af overfladens fladhed. Den skal være præcis ned til en skala på et par dusin mikrometer - tusindedele af en millimeter - for optimal pasform og termisk kontakt med dens landergrænseflade, hjælper med at opretholde en god driftstemperatur på Mars.

Fra ESTEC vil LaRa blive transporteret til det russiske videnskabsakademis rumforskningsinstitut, IKI, til endelig accepttest. Det vil derefter blive flyttet til Cannes i Frankrig, hvor det vil blive integreret på Surface Platform med resten af ​​landeren og testet på fuld-montage niveau.

"Muligheden for at flyve åbnede sig i slutningen af ​​2015, og den faktiske udvikling hen imod flymodellen startede kun et år senere, så LaRa-teamet har måttet arbejde meget hårdt for at komme til dette punkt, " tilføjer Václav. ExoMars 2020 skal opsendes af den russiske protonkaster fra Baikonur i Kasakhstan i juli 2020.