Saptamana trecuta o stire a facut ocolul agentiilor de presa din intreaga lume. Japonia a incercat sa inscrie proba sa Akatsuki intr-o orbita de observatie in jurul planetei Venus.
Incercarea a fost insa sortita esecului pentru ca satelitul a scapat de atractia gravitationala ramanand intr-o orbita larga in jurul Soarelui. Vom incerca in acest scurt articol pe baza putinelor informatii care au razbatut de la oficiali sa vedem care ar putea fi explicatiile acestei anomalii.

Pentru inceput cateva detalii despre misiunea japoneza spre Venus.
Satelitul a fost lansat pe 20 mai 2010 de la baza spatiala Tanegashima (intr-o calatorie de circa 482 de milioane de km pana la destinatia sa finala) la bordul unei rachete H II A in zborul cu numarul 17 al acesteia.
In acelasi zbor au mai fost trimise in spatiu alte 5 platforme mai mici cu rolul de a realiza mai multe experimente tehnologice: IKAROS, UNITEC 1, WASEDA-SAT2, KSAT si Negai.

Denumirea initiala Planet-C sau VCO “Venus Climate Experiment” facea referire directa la misiunile exploratorii ale agentiei spatiale nipone, aceasta fiind a 24 –a platforma stiintifica construita de Japonia.
Satelitul de forma unei prisme are dimensiunile 1.04 x 1.45 x 1.4 m, cantareste aproximativ 640 de kg la lansare (din care 320 kg combustibil) si a costat JAXA 25.2 miliarde de yeni (aproximativ 300 de milioane de euro).
La bord se afla 6 experimente stiintifice: UVI (“Ultraviolet Imager”), LAC(“Lighting and airglow camera”), IR1(“1 µm infrared camera”), IR2 (“2 µm infrared camera”), LIR (“Long wave IR camera”) si USO (“Ultra stable oscillator”) care impreuna cu modulul DE (Sensor Digital Electronics Unit) ce asigura controlul si procesarea datelor cantaresc 37 de kg din masa totala a satelitului.

Sistemul de putere a fost proiectat sa acopere o suprafata de 2 x 1.4 m2 si sa genereze o valoare nominala de 1200W (cu un minim de 500 W pentru orbita aleasa in jurul lui Venus -minim calculat pentru sfarsitul misiunii atunci cand se preconizeaza degradarea celulelor solare). Satelitul este echipat cu doua panouri solare a caror pozitie poate fi ajustata pe una din axe, permitandu-i sa urmareasca directia Soarelui chiar si in conditiile in care restul platformei ramane pozitionata catre o anumita tinta de observare (suprafata planetei).

Orbita aleasa este una eliptica cu excentricitate mare, satelitul calatorind intre 300 km pentru perigeu si 79.000 km (echivalentul a 13 raze medii venusiene) pentru apogeu, cu o perioada orbitala de 30 de ore. Calatorind in directia vest satelitul va avea pentru 20 de ore din cele 30 ale perioadei orbitale aproximativ aceeasi viteza de deplasare ca si viteza de rotatie a atmosferei, aceasta sincronizare permitand o mai buna observatie a fenomenelor fizice ce au loc acolo.
Pentru comparatie cu planul orbitei lui Venus care este inclinat la 3 grade fata de ecliptic, proba Akatsuki ar trebui sa calatoreasca intr-o orbita cu inclinatia de 172 de grade.

Sistemul de comanda si control al zborului satelitului denumit de niponi AOCU (“attitude and orbit control subsystem with processor”) asigura stabilizarea triaxiala cu ajutorul unui sistem de motoare (RCS sau “reaction control system”) folosit in conjunctie cu asa numitele “reaction wheels” (RW). Aceste dispozitive de stocare a momentului, 4 in total, sunt de 2 tipuri: unele mai mari capabile sa dezvolte 20Nms si altele mai mici de 4Nms.
Sistemul RCS este compus din 12 motoare monopropelant (N2H4) de corectie a orientarii si un motor bipropelant (N2H4+NTO) de corectie orbitala sau OME (“orbital maneuvering engine”). Pastrarea constanta a presiunii in cele 2 rezervoare de combustibil este asigurata de un sistem de compresoare care pompeaza He dintr-un alt rezervor special in asa fel incat sa compenseze consumul sau efectele obisnuite de compresie/deplasare datorita acceleratiei.
Motoarele obisnuite sunt grupate pe perechi si dezvolta o forta de tractiune de 23N (8 dintre ele) si respectiv 3N (restul 4). Asa cum aminteam mai devreme ele sunt cele care trebuie folosite in operarea nominala pentru micile corectii necesare si pentru descarcarea momentului acumulat in RW.
OME este folosit in principiu doar in 2 situatii pe parcursul vietii satelitului dar el joaca un rol major in succesul misiunii. Prima data asadar el trebuia sa scoata proba japoneza din atractia gravitationala a Pamantului si sa o inscrie intr-o orbita de transfer in jurul lui Venus. A doua oara el trebuia sa inscrie satelitul intr-o orbita eliptica venusiana.

Partea de senzori era alcatuita din IRU (“inertial reference unit with gyro”), 2 camere stelare (STT-“star trackers”),  senzori solari (TSAS si CSAS “sun aspect sensors”) si accelerometre (ACM).

Sistemul de control termic a trebuit conceput special pentru conditiile de operare in jurul planetei Venus acolo unde radiatia solara are o valoare dubla fata de cea inregistrata in jurul Pamantului, astfel ca in ciuda izolarii cu MLI (“multi layer insulation”) se asteapta ca aproximativ 140 W/m2 din energia solara sa reuseasca sa depaseasca aceasta bariera si sa treaca in interiorul satelitului. In plus electronica interioara are o disipatie de 500 W iar acesteia i se adauga disipatia venita de la optica instrumentatiei stiintifice (1000W in conditii de functionare nominala).
Din aceasta cauza izolatia pasiva nu a fost suficienta fiind necesara montarea de panouri disipative. Mai mult o problema majora a ramas distributia neuniforma de temperatura interna pentru ca satelitul are zone unde temperatura trebuie mentinuta la 20 C (electronica de bord) si zone unde ea trebuie mentinuta la 0 C (zona opticii).
Separat exista posibilitatea incalzirii (cu ajutorul unui sistem de termistori cu capacitatea maxima de 300W) a zonelor interne care sunt predispuse unor temperature scazute.

Comunicatia cu Pamantul se face in banda X la o frecventa a transponderelor de 8GHz si la o putere de transmisie de 20W. Trei tipuri de antene sunt instalate la bord: 1 HGA (“high gain antenna”), 2 MGA (“medium gain antenna”) si 2 LGA (“low gain antenna”).
HGA de forma circulara cu diametrul de 1.6 m are un castig de +37dBi asigurand transmisia datelor stiintifice spre statiile de sol la o rata ce variaza intre 4kbps la distanta de 1.5 AU, 8kbps la 1.1 AU, 16 kbps la 0.7 AU si 32 kbps la 0.5 AU.
MGA de tipul “horn antenna” este montata pe un panou ce permite rotatia la 180 de grade, are un castig de +14 dBi si se foloseste pentru transmisia telemetriei “housekeeping” (cea care include datele esentiale privind statusul electronicii de bord a satelitului) atunci cand proba executa misiuni de observatie si HGA nu mai este orientata spre Pamant. Ratele de transmisie au fost calculate pentru valori peste 6bps (la o distanta de 1.7 AU).
LGA este o antena cu acoperire larga si care nu necesita o pozitionare precisa pentru preluarea semnalului. Cele 2 sunt montate in tandem in directia +x/-x  asigurand astfel acoperire sferica. LGA este folosita pentru receptia telecomenzilor transmise de statia de sol.
Pentru operarea nominala 2 statii de sol japoneze au fost desemnate sa comunice cu satelitul-Uchinoura si Usuda, dar exista si suportul DSN (“deep space network”) prin Goldstone, Canberra sau Madrid in caz de urgenta.

Cateva cuvinte si despre instrumentatia stiintifica.
 IR1 a fost proiectata sa studieze miscarea norilor in atmosfera joasa venusiana, distributia vaporilor, compozitia minerala a solului si existenta activitatii vulcanice. In greutate de 6.7 kg, are ca o optica cu camp vizual de 12 grade si un senzor central-detector Si de tip CSD/CCD (charge sweeping device/charge coupled device) 1024 x 1024 pixeli. Este capabila sa scaneze Venus la 3 lungimi de unda diferite: 1.01µm, 0.97 µm si 0.9 µm.

IR2 poate penetra norii planetei studiind fizica acestora, concentratia si marimea particulelor care le compun, distributia de CO si fenomenele ce conduc la circulatia din atmosfera joasa. Un rol secundar consta in studierea (pe parcursul calatoriei de la Pamant la Venus) a norilor de praf interplanetari pe baza emisiei de lumina ce le strabate.
In greutate de 18 kg instrumentul, cu un camp vizual de 12 grade, are un detector CSD/CCD de tip PtSi si poate scana la 4 lungimi de unda diferite: 1.735, 2.26, 2.32 si 1.65 µm.
 
LIR (long wave infrared camera) este destinata studiului miscarii si curentului de convectie, distributiei si vitezei vantului la nivelul de deasupra norilor pe baza imaginilor realizate la lungimea de unda de 10µm. Este de fapt un bolometru cu camp vizual de 12 grade si un senzor de 320 x 240 pixeli, in greutate de 3.3 kg.

UVI (ultraviolet imager) capteaza radiatia ultravioleta si din variatia acesteia poate observa nivelul de SO2 care apare in formarea norilor sau alte substante ce se regasesc in compozitia acestora si care absorb radiatia. Pe baza acestora se poate realiza o diagrama a vitezei vantului deasupra norilor respectivi. UVI, in greutate de 4.1 kg, are o optica de 12 grade camp vizual si un senzor CCD pe baza de Si cu 1024 x 1024 pixeli, putand scana la lungimile de unda 283 si 365 nm.

LAC (lightening and airglow camera) cantareste 2.3 kg, are un camp vizual de 16 grade si lucreaza la 4 lungimi de unda distincte: 777.4, 480-650, 557.7 si 545 nm. Este proiectata pentru studiul fenomenului numit generic “airglow” adica emisia luminoasa a oxigenului din partea superioara a atmosferei si pentru studiul descarcarilor electrice ce au loc pe planeta.

USO (ultra stable oscillator), in greutate de 2 kg, va realiza observatii privind transmisia undelor radio in atmosfera venusiana, distributia de temperaturi in functie de altitudine si densitatea electronilor.
Prin emisia de unde radio la frecventele de 8.4 GHz statiile de sol vor masura schimbarea frecventei undelor receptionate si modificarea intensitatii semnalului radio, dupa trecerea prin atmosfera lui Venus.
 
Ce este asadar asa de special la vecinul nostru Venus incat a atras atentia oamenilor de stiinta?
Venus, cea mai apropiata planeta a noastra si cu o marime similara (cu o raza medie de 0.949 din raza terestra), este o sursa foarte buna pentru intelegerea procesului care a condus la formarea Pamantului si a conditiilor sale naturale.
Atmosfera sa este una extrem de densa, cu o presiune de aproximativ 93 bar, in mare parte formata din CO2 ce induce un efect de incalzire a suprafetei planetei de tip ‘greenhouse’ cu temperaturi de pana la 740K si cu nori de mare altitudine formati din H2SO4-H2O.
Venus se afla la o distanta de 0.7 AU de Soare si executa o orbita completa in 224.65 zile. Miscarea sa de rotatie in jurul axei proprii este cea mai scazuta dintre toate planetele avand o valoare de 6.5 km/h la nivelul ecuatorului (fata de 1670 km/h in cazul Pamantului) si cu o perioada de 243 de zile. Cu toate acestea, straturile superioare ale atmosferei se deplaseaza la viteze mult mai mari de ordinul a 360 km/ora dand nastere unor uragane foarte puternice. In paralel s-a constat existenta a doua vartejuri de mari dimensiuni care se deplaseaza pe verticala deasupra polilor planetei intr-o miscare cu o periodicitate de aproximativ 3 zile.
In ciuda explorarilor precedente circulatia atmosferica si fenomenele meteorologice sau de dinamica a fluidelor care sustin aceste mecanisme sunt inca lucruri care nu s-au elucidat drept urmare exista inca loc pentru descoperiri majore in aceasta directie.
Un alt obiectiv care a trezit interesul oamenilor de stiinta este explorarea suprafetei venusiene in special a compozitiei solului si a fenomenelor vulcanice care acopera mare parte din planeta.

Pana acum mai multe misiuni au explorat planeta Venus: Venera, Mariner, Pioneer Venus, Vega, Magellan si mergand pana la Venus Express misiunea apartinand ESA si care este momentan singurul satelit activ la aceasta locatie.
Deasemenea pe viitor marile agentii spatiale si-au pastrat interesul pentru Venus, atat ESA (prin BepiColombo care urmeaza sa fie lansat in 2014 si care in drumul sau spre Mercur va face observatii si asupra lui Venus), cat si NASA (care isi propune prin programul New Frontiers sa trimita chiar un lander la suprafata) si Roscosmos (care va lansa in jurul lui 2016 o noua misiune Venera cu indicativul Venera D).

Primul program a fost initiat de URSS in februarie 1961 atunci cand s-a lansat misiunea Venera 1 cu scopul de a intra intr-o orbita de coliziune cu Venus. Cateva zile mai tarziu satelitul a fost declarat pierdut din punct de vedere al comunicatiei iar masuratorile au aratat ca a ratat de putin tinta trecand la 100.000km de Venus.
URSS nu s-a oprit aici si a continuat explorarea cu Venera 3 in 1966 (marcand primul obiect uman care a traversat atmosfera unei planete si s-a prabusit pe suprafata ei), Venera 4 in octombrie 1967, Venera 5 si 6 in 1969, Venera 7 in 1970 care a supravietuit impactului cu solul trimitand primele date de la suprafata planetei, Venera 8, 9 si 10 care au transmis si primele imagini, Venera 11 si 12 care au facut primele masuratori cu privire la furtunile venusiene, Venera 13 si 14 care au relaizat primele investigatii asupra solului si care au transmis primele imagini color, Venera 15 si 16 care au folosit pentru prima data tehnologia SAR (synthetic aperture radar) pentru realizarea unor harti ale planetei.
Misiunile Venera au fost continuate in 1985 atunci cand cei 2 sateliti din programul Vega si-au concentrat atentia si asupra atmosferei lui Venus.

De partea cealalta, NASA a inceput explorarile in cadrul programului Mariner si la un moment dat chiar s-a discutat despre o misiune Apollo cu echipaj uman. Dupa pierderea primei probe Mariner 1, cea de a doua-Mariner 2 a reusit sa observe de la o distanta de aproximativ 34000 km conditiile fizice de pe Venus, urmata de Mariner 5 in 1967 care s-a apropiat la o distanta de 4000 km si de Mariner 10 in 1974.
Investigatiile au continuat cu Pioneer Venus un proiect complex care a inclus satelitul propriu zis (cel care a ramas pe orbita intre 1978 si 1992) si 4 probe speciale care au cules informatii din atmosfera.
In 1989 NASA trimitea in spatiu sonda Magellan cea care in cei 4.5 ani de operare in jurul lui Venus a reusit cu ajutorul radarului de la bord sa scaneze 98% din suprafata si sa intocmeasca cea mai completa harta.

Episodic si alti sateliti au realizat observatii asupra lui Venus : Galileo, Cassini sau Messenger.

Totusi la momentul acesta, asa cum aminteam, singurul satelit activ in jurul planetei este Venus Express apartinand ESA. VEX a fost lansat in noiembrie 2005 si a ajuns in orbita dorita (89.99 grade inclinatie x 24 ore perioada orbitala) in aprilie 2006.
Este un satelit de 1270 kg (din care 570 kg combustibil) echipat cu urmatoarele instrumente : VMC (Venus monitoring camera), ASPERA (analyser of space plasma and energetic atoms), PFS (planetary Fourier spectrometer), VIRTIS (visible/ultraviolet/near infrared mapping spectrometer), MAG (Venus Express magnetometer), VeRa (Venus radio science experiment) SPICAV/SOIR (ultraviolet and infrared atmospheric spectrometer).
Teoretic din punct de vedere stiintific ar fi trebuit sa fie complementar solutiei alese de japonezi astfel ca noile date stiintifice culese de JAXA ar fi trebuit sa completeze observatiile realizate de VEX.


Ce s-a intamplat asadar cu sonda japoneza ? Pe 6 decembrie Akatsuki a inceput manevrele de inscriere in orbita lui Venus. Satelitul avea incarcata la bord secventa de comenzi necesara acestei manevre care de altfel s-a desfasurat autonom interventia inginerilor de pe Pamant nefiind posibila datorita faptului ca reintrarea s-a facut pe partea nevizibila.
In general intrarea intr-o atmosfera densa de tipul celei venusiene si inscrierea in orbita se poate face in 2 feluri : fie printr-o manevra masiva, fie printr-o succesiune de manevre mai mici, ambele solutii avand avantaje si dezavantaje.
In cazul satelitului japonez s-a optat pentru prima varianta, motorul principal OME fiind pornit la 23:49 GMT si urmand sa activeze pentru 12 minute, cu o pauza de comunicatie de 22 minute (alte doua manevre mai mici, pe 11 si 13 decembrie ar fi trebuit sa faca ultimele corectii orbitale).
Din pacate statiile de sol au reluat legatura cu intarziere, abia dupa 90 de minute la 01 :28 GMT atunci cand s-a constatat si esecul manevrei de insertie orbitala, satelitul fiind regasit in ‘safe mode’ si cu telemetrie la rata redusa via LGA.
Din analiza datelor colectate de memoria interna s-a constatat ca motorul principal a functionat doar pentru 152 s in acest interval acceleratia a scazut treptat in paralel cu scaderea presiunii rezervorului de combustibil. In intervalul 152-158 s acceleratia a scazut brusc de la 0.8 la 0.5, iar satelitul si-a pierdut stabilizarea rotindu-se cu 42 de grade.
Imediat sistemul AOCS a decuplat orientarea pe baza RCS comandand inchiderea valvelor de alimentare cu combustibil si a comutat pe orientarea pe baza de RWL.
Din pacate datorita rotatiei accentuate induse dinainte si datorita faptului ca RWL au un moment limitat, satelitul nu s-a putut stabiliza si a retrogradat autonom in modul safe mode la momentul 375s.
Inginerii fac in continuare investigatii. S-ar  parea ca miscarea de rotatie necontrolata a fost indusa de o defectiune a motorului. OME are un ajutaj special conceput din materiale compozite si dupa primele informatii acesta arata avariat. Initial s-a vorbit despre posibilitatea lovirii acestui ajutaj de catre un mic reziduu spatial dar probabilitatea este mica.
Ulterior s-a facut legatura intre scaderea presiunii in rezervor si OME. Astfel din cauza alimentarii neconstante, functionarea motorului a fost intermitenta si impreuna cu incalzirea indusa de intrarea in atmosfera a condus la un stres termic ce a suprasolicitat ajutajul ducand la spargerea lui. Cand acest lucru s-a intamplat, jetul motorului a fost brusc directionat pe o alta rezultanta, inducand o perturbatie majora si pierzandu-se orientarea. Pana la urma cauza primordiala a acestei anomalii ar putea fi o supapa defecta a instalatiei de presurizare cu He sau si mai rau o conducta de alimentare care s-ar fi putut sparge. O astfel de defectiune nu ar fi o noutate pentru JAXA care ar inregistra astfel un scor negativ in domeniul tehnologiei de propulsie.    

Acesta este al doilea esec al agentiei nipone JAXA dupa sonda Nozomi care avea ca destinatie planeta Marte. Prima incercare de insertie orbitala din 1999 a esuat din cauza unei valve defecte sonda ramanand intr-o orbita larga in jurul Soarelui. A doua incercare ar fi trebuit sa se produca in 2003 dar in 2002 o eruptie solara a afectat major echipamentele de bord si a anulat orice posibilitate de a efectua aceasta manevra.

Probleme majore datorita sistemului de propulsie s-au inregistrat deasemenea si la sonda Hayabusa, succesul manevrelor orbitale realizate pe asteroidul Itokawa fiind un subiect de dezbatere pana in ultimul moment cand au fost prelevate probele continute de capsula colectoare.

JAXA nu are insa de ales si va trebui ca si in cazul satelitilor mentionati mai devreme, sa mearga inainte si sa faca toate eforturile pentru recuperarea misiunii. In fond, satelitul, chiar daca nu a putut fi inscris in jurul lui Venus va putea fi folosit pentru alte experimente si pentru acumularea de experienta vitala pentru viitor- dupa acelasi principiu in care lectiile invatate cu Nozomi au fost folosite pentru aducerea inapoi pe Pamant a lui Hayabusa.
Ramane totusi in discutie cat de grea daca nu imposibila va fi o viitoare manevra de insertie a lui Akatsuki inapoi in jurul lui Venus. In ciuda faptului ca la bord se afla suficient combustibil, chiar in ipostaza remedierii valvei defecte, ramane suspiciunea asupra motorului OME cea care va trebui clarificata in zilele urmatoare prin scurte manevre orbitale si monitorizarea performantelor acestora. In cazul unui ajutaj spart, JAXA va avea o misiune aproape imposibila pentru calcularea insertiei orbitale atunci cand se cere o directie foarte precisa pentru propulsie. Singura sansa ar fi daca intre timp spartura ajutajului s-a accentuat si daca acest fenomen a dus la desprinderea lui completa de ansamblul motor –in acest caz chiar daca vorbim de o scadere a tractiunii, cel putin ar fi vorba de posibilitatea pastrarii satelitului in pozitia dorita.
In plus, avand in vedere orbita curenta in care s-a inscris satelitul si care il va aduce in pozitia cea mai favorabila/apropiata de Venus undeva in decembrie 2016-ianuarie 2017 se pune problema cat de mult vor rezista bateriile, panourile solare si in general restul electronicii avand in vedere ca au fost proiectate pentru o durata de viata de 2 ani si oricum nu pentru conditiile unei orbite de acest gen.
credit JAXA