NÅDE | |
---|---|
engelsk Tyngdekraftsgenvinding og klimaeksperiment | |
Fabrikant | Dornier satellitsystem |
Operatør | NASA og det tyske luft- og rumcenter |
Opgaver | undersøgelse af jordens gravitationsfelt |
Satellit | jorden |
affyringsrampe | Plesetsk , websted №133 |
løfteraket | Rumble [1] |
lancering | 17. marts 2002 UTC 09:21:27 |
NSSDCA ID | 2002-012A |
SCN | 27391 |
Pris | $127 millioner (ved lanceringen) |
specifikationer | |
Platform | Flexbus |
Vægt | 474 kg |
Orbitale elementer | |
Banetype | cirkumpolær bane |
Humør | 89° |
Omløbsperiode | 94 min |
Banehøjde | ≈500 km |
grace.jpl.nasa.gov _ | |
Mediefiler på Wikimedia Commons |
GRACE ( Eng. Gravity Recovery And Climate Experiment ) [2] er en fælles satellitmission fra NASA og German Aviation and Cosmonautics Center , der har til formål at studere Jordens gravitationsfelt og dens tidsmæssige variationer forbundet med især klimaændringsprocesser .
GRACE kortlægger gravitationsfeltet ved at måle positionen af to identiske satellitter i polar kredsløb i en højde af 500 km. To satellitter ( NSSSDC ID : 2002-012A og 2002-012B ) blev opsendt fra Plesetsk Cosmodrome den 17. marts 2002.
Satellitter udveksler kontinuerligt radiosignaler i mikrobølgeområdet, hvilket gør det muligt at spore ændringer i afstanden mellem dem med mikronøjagtighed. Den korrekte bevægelse og orientering af satellitterne registreres ved hjælp af GPS -modtagere , accelerometre og stjernesporere . Derudover er satellitterne udstyret med hjørnereflektorer til brug i satellitlaserafstandsmåling .
Satellitter flyver over hver del af Jorden cirka en gang om måneden, hvilket gør det muligt at spore de naturlige bevægelser af masser (hovedsageligt forbundet med vandets kredsløb i naturen ).
Konceptet med eksperimentet blev foreslået i midten af 1970'erne, men det generelle teknologiske niveau tillod ikke implementering. Ideen med eksperimentet var som følger: to identiske satellitter (ofte kaldet Tom og Jerry , efter heltene fra den korte tegneserie af samme navn, som konstant forfølger hinanden), der flyver den ene efter den anden i en bane med en afstand på 220 km, bør ekstremt nøjagtigt måle afstanden mellem sig. Ved at bevæge sig langs en polær bane vil satellitterne opleve gravitationseffekten af masseinhomogeniteter på overfladen og under jordens overflade. For at spore satellitoscillationer i forhold til hinanden skal accelerometre og højpræcisionsafstandsmålere være placeret om bord. Så afstanden skulle måles med en nøjagtighed på omkring 10 mikron . Det blev antaget, at ændringer i jordens tyngdefelt ville gøre det muligt at vurdere vandmassernes bevægelse i havene, herunder dybe strømme og overfladestrømme, udvekslingen af masser mellem gletsjere og oceaner, samt geologiske processer under jordens overflade [ 3] . Det var forventet, at den rumlige opløsning af gravitationskort opnået på basis af dataene fra GRACE-eksperimentet ville være omkring 300 km, hvilket er omkring 100 gange højere end de modeller, der eksisterede ved starten af programmet. Selve gravitationskortene var planlagt til at blive opdateret en gang om måneden. Dataene opnået under GRACE-missionen skulle frit stilles til rådighed for videnskabelige organisationer i forskellige lande. [4] .
Nogle analytikere foreslog muligheden for at bruge data opnået under GRACE-eksperimentet til militære formål [4] :
Ud over hovedforsøget var det planlagt at gennemføre et yderligere eksperiment med gennemlysning af atmosfæren med radiosignaler i GPS-området. Formålet med eksperimentet var at studere effekten af absorption og brydning på karakteristikaene af det signal, der modtages af rumfartøjer [4] .
Der blev udtrykt meninger om, at dette eksperiment også kunne have et militært fokus: det blev antaget, at behandlingen af statistik om satellitnavigation ved hjælp af GPS-systemet og identifikation af træk ved atmosfærens indflydelse på brugen af GPS ville hjælpe med udviklingen af kontrolsystemer til løfteraketter og ballistiske missiler [4] .
Generelt, baseret på resultaterne af GRACE-missionen, kunne man forvente skabelsen af en teoretisk base for anvendt militær forskning på følgende områder [4] :
GRACE-projektet blev finansieret af NASA Advanced Research Program . Earth System Science Pathfinders (ESSP) [5] . I juli 1996 begyndte indsamlingen af ansøgninger om deltagelse i ESSP-programmet. I alt blev der indsendt 44 ansøgninger, hvoraf 12 (inklusive GRACE) kom til finalen. Blandt udvælgelseskriterierne var villigheden til at sende i kredsløb inden for 36 måneder fra starten af finansieringen [6] . Den 18. marts 1997 blev tre vindere offentliggjort, blandt andet GRACE-projektet. Projektet blev implementeret af amerikanske og tyske udviklere: Helmholtz Potsdam Center , Dornier Satellitensysteme GmbH (DSS) (et datterselskab af EADS Astrium ) fra tysk side og JPL , Space Systems/Loral og University of Texas fra amerikansk side [7] . Den overordnede ledelse af projektet blev overdraget til JPL [3] . Nøgletræk ved den økonomiske side af projektet var den maksimale overførsel af autoritet fra NASA til projektudøverne. NASA overdrog til kontrahenterne det fulde ansvar for udvælgelsen af entreprenører og udviklere af videnskabeligt udstyr og flyveudstyr. Til gengæld var JPL ansvarlig for eksperimentets succes og levering af videnskabelig information til det internationale videnskabelige samfund [7] . Projektet antog arbejdet med rumdelen i 5 år fra tidspunktet for opsendelsen i kredsløb [3] .
I september 1997 flyttede programmet til "stadie B" - fremstilling af rumfartøjer. Dornier Satellitensysteme stod for fremstillingen af satellitterne. Det samme firma sørgede for klargøring af køretøjer til opsendelse og integration med løfteraketten [7] .
I juli 1999 var GRACE-projektet blandt de programmer, hvis budget blev skåret ned i den største NASA-budgetnedskæring siden 1981, men holdet formåede at overvinde vanskelighederne [8] .
For at implementere GRACE-eksperimentet blev der fremstillet to rumfartøjer GRACE 1 og GRACE 2. Det tyske firma Astrium stod for konstruktionen af rumfartøjet med deltagelse af Space Systems / Lora, og den overordnede projektledelse blev udført af JPL [3] .
FlexBus platform uden installeret hardware
CHAMP - rumfartøjet er det første, der bruger FlexBus-platformen
GRACE rumfartøj
Rumfartøjet GRACE-FO - udvikling af GRACE-projektet
Begge satellitter var baseret på FlexBus [7] satellitplatformen . Platformen blev udviklet til CHAMP - missionen og modificeret til at opfylde kravene i GRACE: magnetometeret blev fjernet fra platformens næse, platformens aerodynamiske egenskaber blev forbedret, arbejdet blev udført for at optimere den ballistiske koefficient, centrene for massen af accelerometrene blev placeret på en lineær fortsættelse af strømningstrykvektoren i alle retninger, og bevægelsessystemer blev brugt massemidtpunkt til multipel justering af dens position under flyvningen [7] .
Hvert rumfartøj målte 3,1×1,94 m og vejede 480 kg [9] . Udstyret om bord på rumfartøjet bestod af videnskabelige systemer, orienterings- og stabiliseringssystemer og servicesystemer. Alle videnskabelige instrumenter var monteret på et panel lavet af et kompositmateriale med en lav ekspansionskoefficient - denne løsning gav den nødvendige målenøjagtighed, uanset mængden af solstråling [3] .
Videnskabelige systemerHovedinstrumentet i GRACE-eksperimentet er en K-bånds afstandsmåler ( K - Band Ranging , KBR), bestående af fire nøgleelementer [3] :
Ud over KBR var der installeret flere ekstra antenner om bord, som blev brugt i yderligere programmer. Adskillige GPS-antenner blev brugt til det atmosfæriske gennemlysningsforsøg. Hovednavigationssignalantennen var placeret på oversiden af rumfartøjet og var rettet mod zenit. En ekstra antenne blev installeret på bagsiden af apparatet, rettet mod nadir. Den spiralformede GPS-antenne, eksperimentets hovedantenne, var placeret på bagsiden af satellitterne [3] .
Til at måle de ikke-gravitationskræfter, der virker på rumfartøjet, blev SuperSTAR accelerometeret, fremstillet af det franske firma ONERA, brugt. Accelerometeret omfattede en sensorenhed (Sensor Unit, SU), som målte accelerationer, og en interfaceenhed (Interface Control Unit, ICU), som filtrerede og behandlede accelerometerets digitale signaler [3] .
For at overvåge bevægelsesparametrene for køretøjer på deres nadir-side blev der installeret laserhjørnereflektorer (Laser Retro-Reflectors, LRR) [3] .
Orienterings- og stabiliseringssystemerTil orientering i rummet blev der placeret flere sensorer om bord på rumfartøjet. Stjernekameraer (+Y, Y) blev installeret på venstre og højre side, som var ansvarlige for nøjagtigt at bestemme satellitternes position. Til grov orientering blev der brugt en solar-terrestrisk sensor, et Forster-magnetometer og GPS-modtagere. Ud over orienteringssensorerne var der et gyroskop om bord, fremstillet af det engelske firma. Litton , som var ansvarlig for at bestemme positionen under unormal drift af satellitten [3] .
For at kontrollere apparatets position blev der brugt to systemer af drev. Det reaktive system bestod af flere motorer med en trykkraft på 10 mN, fremstillet af det engelske firma. Moog , med komprimeret nitrogen som det aktive legeme. Til gaslagring blev to højtrykscylindre monteret langs rumfartøjets hovedakse. For at reducere forbruget af arbejdsvæsken til orientering blev der installeret seks elektromagnetiske spoler med et magnetisk moment på hver 30 A m² [3] om bord på apparatet .
For at styre satellitterne efter afstand blev der placeret to orbitale manøvreringsmotorer med et tryk på 40 mN hver (arbejdsvæsken er komprimeret nitrogen) på bagsiden af køretøjerne [3] .
For nøjagtigt at måle de ikke-gravitationskræfter, der virker på satellitten, var det nødvendigt at kontrollere rumfartøjets massecenter. For at bringe enhedens massecenter til accelerometerets massecenter blev der brugt et balanceringssystem: 6 MTM massebalanceringsmekanismer og en MTE-balanceringselektronikenhed. Hver af massebalanceringsmekanismerne bestod af en bevægelig masse på en spindel , og et par MTM'er sørgede for balancering langs rumfartøjets ene akse [3] .
ServicesystemerFor at sikre funktionen af videnskabelige instrumenter og orienteringssystemet fungerede flere servicesystemer ombord på satellitten [3] :
Den hovedgenererende del af strømforsyningssystemet var solpaneler monteret på toppen og siderne af skroget. Nikkel-brint-batterier med en kapacitet på 16 Ah [3] blev brugt til at arbejde i de skraverede dele af banen .
For at opretholde en stabil temperatur om bord på rumfartøjet blev der brugt 64 varmeelementer, 45 modstande og 30 termistorer [3] .
En speciel adapter MSD (Multi-Satellite Dispenser) blev udviklet til at lancere to enheder. Udviklingen af adapteren bestilt af Eurockot Launch Services blev udført af det tyske firma RST Rostock Raumfahrt und Umweltschutz GmbH . Adapteren var en søjle 300×300 mm lavet af aluminium, hvorpå midlerne til fastgørelse og adskillelse af rumfartøjet var placeret. Til gengæld blev selve adapteren fastgjort til den øvre ramme af Breeze-KM- overtrinnet . MSD-adapteren havde ikke elektriske stik til at drive nyttelasten, og Briza-KM-bordcomputeren gav kommandoen til at adskille rumfartøjet [10] . Komprimeret gas blev brugt til at adskille rumfartøjet fra adapteren [3] . Adapteren bestod accepttests i Moskva GKNPTs im. M.V. Khrunichev [10] .
En af fordelene ved Rokot løfteraket var muligheden for at bruge en stor næsebeklædning. For at lancere GRACE-missionen blev der skabt en kåbe med en højde på mere end 6 meter og en diameter på 2,6 m [11] .
I begyndelsen af 1998, Alfred Tegtmeyer , marketingdirektør for en tysk virksomhed engelsk. Cosmos International OHB-System GmbH , som promoverede den russiske Kosmos -3M løfteraket på det internationale marked, hævdede, at virksomheden havde en kontrakt om at lancere GRACE-missionen [12] . Den 29.-30. oktober 1998 besøgte en delegation af specialister imidlertid Plesetsk-kosmodromen , som vurderede graden af beredskab af kosmodromen til opsendelse af Rokot-raketvognen . Blandt deltagerne var Peter Hans Pawlowski ( tysk: Peter Hans Pawlowski ), der repræsenterede GRACE-projektet [13] . Allerede den 9. november havde det tyske luft- og rumcenter (DLR) og det engelske selskab. Eurockot Launch Services GmBH (virksomheden promoverede Rokot løfteraket på det internationale marked) underskrev en foreløbig aftale om at opsende to små satellitter under GRACE-programmet ved hjælp af Rokot løfteraket [14] . Valget af løfteraket blev foretaget i henhold til resultaterne af konkurrencen, hvor udbydere af opsendelser af seks løfteraketter deltog. Rokots vigtigste konkurrenter var den amerikanske Athena-2 og den russiske Cosmos-3M. JPL GRACE-projektleder Edgar Davies kommenterede valget: "Rokot er det eneste luftfartsselskab i sin klasse, der er i stand til at levere to af disse tunge satellitter til målets kredsløb. Briza-KM's bæreevne og manøvredygtighed blev afgørende argumenter " [15] .
Den 22.-24. juni 1999 ankom repræsentanter for DLR, DASA, Dornier Satellite Systems fra tysk side og GPL og NASA fra amerikansk side igen til Plesetsk. De overvågede fremskridtene i arbejdet med at tilpasse infrastrukturen på site nr. 133 (tidligere brugt til opsendelse af Kosmos løfteraket) til kravene fra kommercielle kunder [16] . Lanceringen var planlagt til den 23. juni 2001 [7] . Den 25. april 2000 besøgte GRACE-repræsentanter, ledsaget af ledelsen af Eurockot Launch Services, igen Plesetsk for at sikre sig, at infrastrukturen blev klargjort til at modtage nyttelasten [15] .
Den 14. september 1999 afsluttede Astrium GmbH i et rent rum i Friedrichshafen , Tyskland , kompatibilitetstest af GRACE A og B rumfartøjer med løfteraketadapteren. Derefter blev begge satellitter transporteret til USA i Palo Alto til termisk vakuumtest [17] . Den 22. december 1999, under en jordtest af løfterakettens elektriske systemer, skete en unormal udløsning af kåbeklapperne. På dette tidspunkt var løfteraketten i startpositionen, forankret til servicetårnet. De vinger, der faldt til jorden, var ikke genstand for restaurering [18] . Denne hændelse førte til udsættelsen af lanceringsdatoen til oktober 2001. Den 9. august 2001 ankom en delegation, der repræsenterede tyske og amerikanske specialister, endnu en gang til Plesetsk-kosmodromen, som var overbevist om, at kosmodromens infrastruktur var klar til at modtage rumfartøjer [19] . Men på grund af selve rumfartøjets utilgængelighed flyttede opsendelsesdatoerne gradvist "til højre": 23. november 2001, 27. februar og 5. marts 2002 var forsinket [20] . Den 18. december 2001 underskrev formanden for Den Russiske Føderations regering Mikhail Kasyanov en ordre "om levering på kontraktbasis af Rumstyrker i Den Russiske Føderation af tjenester for at sikre opsendelsen af to GRACE videnskabelige rumfartøjer fra Plesetsk Cosmodrome ved Rokot løfteraket" [20] .
Den endelige lanceringsdato blev sat til 09:23:14 UTC den 16. marts 2002. Startvinduet var 10 minutter. Men den 14. marts, under forberedelserne til lanceringen, opstod der bemærkninger i en af de tre kanaler i kalibreringen før lanceringen af gyroplatformen på Breeze-KM øvre trin. Problemet viste sig ikke at være om bord på løfteraketten, men ved opsendelseskomplekset og blev løst ved at udskifte den enhed, der var ansvarlig for opsætningen af den gyroskopiske referencekollimator. Derefter blev der givet tilladelse til at starte til det angivne tidspunkt. Men den 16. marts, 40 minutter før åbningen af opsendelsesvinduet, blev det besluttet at udskyde opsendelsen et døgn på grund af meteorologiske forhold: I en højde af 10 km oversteg vindhastigheden de tilladte grænser. Opsendelsen var planlagt til den 17. marts 09:21:18 UTC [3] .
Den 17. marts 2002 kl. 09:21:27 UTC (10 sekunder efter åbningen af affyringsvinduet) blev Rokot løfteraket opsendt. 10:47 UTC, 85 minutter og 38 sekunder efter opsendelsen, blev nyttelasten adskilt fra Breeze-KM-øverste trin. 10:49 UTC modtog jordstationen i det tyske missionskontrolcenter i Weilheim i Oberbayern det første telemetrisignal fra rumfartøjet og bekræftede succesen med opsendelsen [3] .
NSSDC ID | SCN | Objektnavn | Orbital hældning | Perigeum (km) |
Apogee (km) |
Cirkulationsperiode (min) |
---|---|---|---|---|---|---|
2002-012A | 27391 | NÅDE 1 | 89,027° | 496,7 | 520,7 | 94,578 |
2002-012B | 27392 | NÅDE2 | 89,028° | 496,4 | 521,5 | 94.587 |
2002-012C | 27393 | RB "Breeze-KM" | 89,014° | 170,7 | 517,9 | 91,064 |
Klokken 11:01 UTC udførte den øverste etape en tilbagetrækningsmanøvre og den 27. marts gik den ind i atmosfærens tætte lag og kollapsede [3] .
Efter opsendelse i kredsløb begyndte GRCE 2 at "løbe væk" fra GRACE 1 med en hastighed på 0,5 m/s, og efter fem dage var afstanden mellem rumfartøjet 263 km. Fra det øjeblik begyndte satellitterne at nærme sig hinanden for at indtage arbejdsstillinger ≈220 km fra hinanden. Inden for 44 dage fra lanceringen blev begge enheder testet udstyr om bord [3] .
Oprindeligt var missionen designet til fem år [21] . Den 9. juni 2010 underskrev NASA Associate Administrator Laurie Garver og DLR Executive Board-formand Johann-Dietrich Werner en aftale i Berlin om at forlænge GRACE-missionen indtil slutningen af dens levetid i kredsløb, som dengang var forudset, i 2015 [22] .
Den 3. september 2017 svigtede en battericelle ombord på GRACE-2 på grund af overskridelse af dens levetid, hvilket blev den ottende celle, der mistes. Den 4. september gik kommunikationen med enheden tabt. Den 8. september var det muligt at genoprette kommunikationen med satellitten, uden at begrænsningerne i den indbyggede software. Telemetrianalyse viste, at det fejlslagne element fungerer igen, hvilket giver den specificerede spænding [23] . I midten af oktober stod det klart, at GRACE-2-batteriet ikke kunne opretholde den nødvendige spænding til at forsyne alle forbrugere ombord. Efter en omfattende analyse blev det besluttet at overføre det defekte rumfartøj til deorbittilstand. Det forventedes at deorbitere i december 2017-januar 2018 [24] .
Efter svigt af GRACE-2-apparatet, blev det besluttet at bruge GRACE-1 til at kalibrere accelerometeret. Til dette blev der udført en kontrolleret tænding af motorerne og en analyse af accelerometeraflæsningerne. Denne operation var vigtig for forberedelsen af køretøjerne til GRACE-FO- missionen [24] . GRACE-2-satellitten kom ind i atmosfæren den 24. december 2017. [25] GRACE-1-satellitten trådte ind i atmosfæren den 10. marts 2018. [26]
Ved at fejre 15 års succesfuld drift af GRACE-projektet sagde JPL Senior Water Specialist Jay Familetti:
Jeg kan ikke komme i tanke om et andet sæt dimensioner, der har revolutioneret videnskaben så meget.[27] |
Jeg kan ikke komme i tanke om et andet sæt målinger, der har revolutioneret videnskaben så meget. |
Ifølge GRACE-data blev det mest nøjagtige kort over Jordens globale gravitationsfelt bygget i øjeblikket.
Ifølge observationer fra 2002 til 2005 blev den hurtige afsmeltning af Grønlands is bevist [28] .
I 2006 opdagede en gruppe forskere ledet af Ralph von Frese og Laramie Potts ved hjælp af GRACE-data en geologisk formation i Antarktis med en diameter på omkring 480 km [29] (se Wilkes Land Crater )
GRACE-eksperimentet gav forskere et væld af informationer, der har fungeret som kilde til et stort antal publikationer i videnskabelige tidsskrifter. Fra den 15. maj 2020 har Frank Flechtner registreret 2199 publikationer [30] . Fremragende bidrag afspejlet i den videnskabelige litteratur blev anerkendt under SpaceOps 2018-konferencen med prisen "For Excellence" af det nationale center for rumforskning i Frankrig [31] .
GRACE-eksperimentets teknologi var grundlaget for missionen om at kortlægge Månens gravitationsfelt . Gravity Recovery and Interior Laboratory ( GRAIL ) [32] .
I november 2002 modtog GRACE-missionen Best of What's New Awards, uddelt årligt af Popular Science [33] .
Den 10. december 2007, ved American Geophysical Union Fall Meeting i San Francisco, modtog GRACE-eksperimentholdet den prestigefyldte William T. Pecora Award , som er en fælles pris fra det amerikanske indenrigsministerium og NASA for enestående bidrag til undersøgelsen af Jorden ved hjælp af fjernmetoder [34] .
I 2018 blev der opsendt 2 nye satellitter, som tillader målinger med højere nøjagtighed [35] .
Ordbøger og encyklopædier |
---|