Recent o noua stire a facut inconjurul agentiilor de presa din intreaga lume starnind interesul pasionatilor de subiecte spatiale. Pentru ca stirea in sine a putut fii citita pe multe surse insa de cele mai multe ori comentata doar din perspectiva jurnalistica, acest articol, asa cum SpaceAlliance.ro a mai facut in trecut si cu alte subiecte, se doreste a fi o analiza mai complexa a misiunii Messenger, a obstacolelor care intervin pentru realizarea unei calatorii interplanetare si a solutiilor pe care inginerii le-au gasit pentru a face totusi posibila explorarea planetei Mercur.
Vom incerca asadar sa realizam un comentariu profesional si o parere obiectiva asupra lucrurilor-in masura in care acest lucru este posibil de exprimat intr-un singur articol.

Satelitul

Messenger, al saptelea satelit al programului Discovery ce a debutat in anul 1992 in ideea realizarii unor misiuni ieftine, dar robuste pentru explorarea sistemului nostru solar, a costat NASA 446 milioane de dolari (incluzand aici proiectarea si constructia satelitului propriu zis, lansarea, operarea si in sfarsit segmentul stiintific-investigatiile si modelarea datelor colectate).

Este un satelit de forma paralelipipedica cu dimensiunile 1.27 x 1.42 x 1.85 m si cantareste 1093 kg din care 607 kg constituie rezerva de heliu si combustibil.

Structura este construita dintr-un material compozit – GrCE (graphite-cyanate-ester)- care scade substantial masa si aduce o mai buna rigiditate si constanta termica.
4 panouri verticale constituie celula centrala pe care se fixeaza componentele interne.

Sistemul de control termic are o importanta vitala pentru succesul misiunii din perspectiva specificului orbitei, satelitul apropiindu-se de Soare la o distanta minima de 46 milioane km (0.3 AU) de acolo de unde acesta se vede de 11 ori mai mare decat de pe Pamant.
In aceste conditii radiatia termica venita dinspre Soare ar induce temperaturi de pana la 370 grade Celsius, temperaturi care ar fi fatale pentru electronica de la bord.
Pentru a evita un astfel de scenariu inginerii au venit cu solutia montarii la exterior a unui panou protector care are rolul de a impiedica lumina solara sa afecteze satelitul propriu zis.
Acest panou are forma semicilindrica cu lungimea de 2.54 m si diametrul de 1.82m, este construit din straturi succesive de Kapton (un material plastic) si Nextel (un material ceramic) pe o rama rigida de titaniu. Intregul ansamblu cantareste in pofida dimensiunilor, doar 20 kg.
Astfel electronica, la umbra acestui panou, continua sa functioneze la temperatura ambienta 20 grade Celsius. In principiu sub protectia panoului, satelitul se poate roti, dar numai intre anumite limite admise- asa numita zona SKI (Sun keep-in zone)- dictata de caracteristicile constructive, panoul protector fiind practic inchis doar pe o singura parte.
Aceasta optimizare nu este insa suficienta pentru ca in fiecare orbita, pentru aproximativ 25 de minute, satelitul se apropie la altitudine mica de planeta (200 km), moment in care trece printr-o faza de incalzire accentuata, incalzire produsa de razele solare reflectate de suprafata lui Mercur. Aceasta problema necesita o alta solutie suplimentara care sa compenseze efectele in apropierea lui Mercur.
Echilibrul termic este mentinut mai departe in interiorul structurii propriu zise a satelitului cu ajutorul a doua sisteme- pe de o parte un sistem pasiv (constituit din straturi suprapuse de materiale izolatoare termic) si pe de alta parte de un sistem activ ce inglobeaza radiatoare si diode radiante de caldura.
Acestea pot fi activate progresiv (in functie de cantitatea de caldura ce trebuie disipata pentru mentinerea constanta a temperaturii la bord).
Prin contrast, atunci cand satelitul se afla in eclipsa (pe partea neiluminata a lui Mercur) temperatura poate scadea dramatic pana la valori de -135 grade Celsius, conditii in care sunt activati termistorii sistemului termic.
Chiar si asa satelitul trebuie sa isi monitorizeze in continuare pozitia in zbor si sa evite orientarea periculoasa numita HPKO (planet “hot pole” keep-out  zone) unde panoul inferior al satelitului- pe care este montata si bateria- ar putea fi expus radiatiei reflectate de pe Mercur.

Un rol secundar in pastrarea controlului termic il au si cele 2 panouri solare care asigura o umbrire suplimentara. Ele sunt partea cea mai importanta pentru sistemul electric al satelitului fiind sursa de energie ce garanteaza functionarea corecta a tuturor subsistemelor.
Responsabilul de proiect a fost aici compania Northrop Grumman Space Technology dar s-au folosit componente de la mai multi producatori asa cum vom arata mai departe.
Inginerii au mers pe o solutie particulara adaptata din nou specificului misiunii montand 2 panouri mobile (ele pot fi rotite pe doua directii cu ajutorul unor mecanisme numite SADA-solar array drive assemblies)- fiecare panou avand dimensiunile 1.54 x 1.75 m.
Structura lor este realizata din aluminiu pe care s-au adaptat niste panouri speciale din material compozit RS-3/K13C2U construite de compania AASC (Applied Aerospace Structures Corporation) suficient de usor dar in acelasi timp avand o mare rezistenta la socurile termice (o necesitate din punctul de vedere al lui Messenger care va intampina variatii foarte rapide si semnificative de temperatura).
Construite in tehnologie GaAs cu eficienta de minim 28% (si mergand pana la 30%) ele pot produce intre 385 si 485 W in faza de croaziera spre Mercur si 640 W in conditiile nominale ale orbitei in jurul planetei.
In principiu, la dimensiunea lor, cele 2 panouri ar putea produce pana la 2000 W, dar acesta ar fi un surplus inutil de energie electrica, cei 640 W nominali fiind arhisuficienti pentru consumul de la bord.
Inca o data proiectantii au ales o solutie ingenioasa montand 2/3 din suprafata panourilor cu oglinzi reflectorizante. Astfel fiecare rand de celule solare este inconjurat de o parte si de alta de cate 2 randuri de celule reflectorizante, rezultand in final o suprafata activa (producatoare de energie electrica) de numai 28%.
Fiecare panou solar contine in total 18 randuri de celule solare (fiecare celula avand dimensiunea de 3 x 4 cm) iar randurile sunt mai departe conectate electric cu ajutorul Solar-Array Junction Box (SAJB). Producatorul acestor celule este compania EMCORE Corporation.
Restul de 72% (suprafata reflectorizanta) nu este insa mai putin importanta pentru ca ea are rolul prevenirii unei supraincalziri excesive. Datorita ei fata expusa actiunii solare va reflecta aproximativ 60% din radiatia incidenta iar temperatura nu va depasi valoarea de 150 de grade Celsius.
Aceasta suprafata reflectorizanta este construita deasemenea din mai multe celule- denumite OSR (optical solar reflectors)- produse de compania Pilkington. Ele sunt de fapt niste mini oglinzi reflectorizante ce au la baza un strat de sticla speciala ce poarta denumirea de CMX.
Surplusul de energie este inmagazinat (pentru perioadele in care satelitul se afla in eclipsa) intr-o baterie Ni-H cu capacitate de 23Ah construita din 11 elemente distincte. Acestea, in tehnologie CPV (common pressure vessel) sunt construite de EaglePicher Space Energy Products Division si sunt montate intr-o structura de aluminiu compusa din 3 camere separate.
Structura este pozitionata special pentru a evita supraincalzirea (fiind in umbra satelitului propriu zis) si este conectata termic la un radiator cu aria de 0.13 m2 ce mentine bateria la o temperatura intre -5 si 0 grade Celsius. Desemenea o alta cerinta speciala este de a pastra diferenta de temperatura intre celule la valori sub 3 grade Celsius pentru a evita aparitia unui stres termic suplimentar.
Tot parte a sistemului electric sunt si PSE (Power System Electronics) si Power Distribution Unit (PDU). Electronica din PSE este proiectata sa opereze nominal la temperaturi intre -34 si +65 grade Celsius si poate disipa intre 15 si 40 W. Acest exces de caldura este transportat cu ajutorul liniilor disipative (de fapt niste cilindrii de aluminiu umpluti cu solutie de amoniac) spre radiatoare de unde este inlaturata in spatiu.

Credit: JHU-APL

Sistemul de comunicatie trebuie sa asigure legatura permanenta intre satelit si statiile de sol de pe Pamant- aceasta indiferent de pozitia orbitala (implicit distanta intre satelit si Pamant) sau de pozitia in zbor a satelitului (satelitul trebuie sa fie accesibil din orice pozitie, indiferent de orientarea sa spre statia de sol, viteza de rotatie etc).
In mod normal inginerii care coordoneaza operarea satelitului comunica cu acesta folosind reteaua DSN (Deep Space Network) in 2 feluri –telemetrie (care se receptioneaza la rate de 9.9 bps -109 kbps) si telecomenzi (care se transmit la rate de 7.8 -500 bps) ambele la frecvente din banda X.
Pentru a facilita aceasta comunicatie, la bord au fost montate 2 antene de putere mare (asa numitele HGA- high gain antenna), 2 antene medii (MGA- medium gain antenna) si 4 antene mici (LGA-low gain antenna).
Cele doua HGA de tipul ‘phased array’ asigura transmisia unui volum mare de date (cum ar fi descarcarea datelor stiintifice colectate de instrumente).
Cele doua MGA de tipul ‘gain fanbeam’ sunt elementele de baza ale comunicatiei, fiind fixe dar avand in acelasi timp un unghi de accesibilitate de 45 de grade ceea ce asigura vizibilitatea directa catre Pamant in conditiile nominale.
Prin pozitionarea lor, restul de patru LGA asigura transmiterea comenzilor de la centrul de comanda, datele esentiale ale satelitului (asa numitele ‘house-keeping data’) cat si comunicatia de urgenta (pentru cazurile in care satelitul intra in ‘safe-mode’).

Calculatorul de bord al lui Messenger este numit IEM (Integrated Electronics Module) si are o configuratie dubla (modul principal si modul secundar) pentru a asigura siguranta in operare. Astfel, in cazul unei defectiuni la modulul principal (spre exemplu coruperea software-ului sub actiunea radiatiei solare) modulul secundar ar trebui sa preia automat, in cel mai scurt timp posibil, conducerea satelitului, izoland in acest fel defectiunea.
Fiecare din cele doua IEM incorporeaza cate 2 procesoare RAD6000 unul functionand la frecventa 25 MHz si celalalt la frecventa 10 MHz.
Primul ruleaza functiile de baza ale satelitului –‘command and data handling’ si ‘attitude and orbit control’- rutine software ce impart resursele fizice ale procesorului, in timp ce al doilea ruleaza functiile FDIR-‘failure detection isolation and recovery’.
Cele 2 IEM dispun si de 2 hard-diskuri de stocare a datelor de tip ‘solid state’ (la fel unul principal si celalalt backup) cu o capacitate de 1 GB fiecare. Ele sunt folosite pentru inmagazinarea informatiilor atunci cand satelitul nu este in legatura directa cu Pamantul, mai tarziu aceste date putand fi transmise la centrul de comanda.  
In plus IEM incorporeaza magistrala de date (asa numitul ‘data bus’) care asigura comunicarea intre procesor si instrumentele stiintifice, cat si convertoare specializate de putere care asigura alimentarea locala cu energie electrica.
In continuare se impun cateva explicatii simple despre cele trei rutine rulate de procesoarele IEM.
Mecanismul FDIR este unul esential pentru orice satelit – care este prin definitie o masinarie complexa ce trebuie sa functioneze cea mai mare parte a timpului in mod autonom fara posibilitatea unei interventii umane. In aceste conditii (si cu atat mai mult pentru o misiune de tip ‘deep-space’ unde orice interventie este ingreunata de comunicatia dificila), dar si luand in calcul conditiile dificile de operare care pot afecta oricand buna functionare a satelitului, se impune construiea unui sistem suficient de robust. FDIR realizeaza exact actiunea de monitorizare si protectie a sistemelor satelitului prin pornirea/oprirea unor componente sau respectiv schimbarea intre ele a modulelor principale/secundare pentru fiecare subsistem (daca este cazul constatarii unei defectiuni).

Mecanismul ‘data handling’ este responsabil pentru colectarea datelor, transferul si stocarea lor, receptia si distributia comenzilor catre unitatile destinatare la bord.
Partea de comanda –un element vital pentru orice satelit- este executata fie in timp real, fie sub forma de comenzi ‘time-tagged’ ce sunt stocate pentru o executie viitoare (in acest fel putand fi asigurat controlul si pentru perioadele fara vizibilitate din partea centrului de comanda). Din punctul de vedere al felului cum sunt executate, comenzile pot fi deasemenea comenzi obisnuite (care sunt executate exclusiv folosind software-ul) dar si comenzi ‘high-priority’ care sunt executate direct (prin interfete electrice dedicate)- in fapt echivalentul comenzii ‘reset’ de pe PC-urile obisnuite.

Rutina ‘attitude and orbit control’ este componenta software a sistemului cu acelasi nume (AOCS) si inglobeaza toti algoritmii matematici de control al pozitiei orbitale.
Pastrarea corecta a pozitiei in zbor este pentru Messenger o chestiune absolut critica- orice abatere de la pozitia nominala (spre exemplu daca scutul termic nu mai este orientat spre Soare pentru a asigura protectia) putand aduce defectiuni majore asupra echipamentelor electronice. Doar ca un exemplu, trebuie spus ca asa numita zona SKI (Sun keep-in), pe care o mentionam mai devreme, adica zona in care satelitul se poate roti fara a se produce schimbari termice la interior este intre ± 10 grade pentru axa z si ± 12 grade pentru axa x.
Unul din factorii perturbatori de care algoritmii incorporati de software trebuie sa tina cont este radiatia solara si asa cum vom aminti mai tarziu in sectiunea dedicata orbitei, Messenger foloseste din plin o modelare a acestei radiatii solare, nu numai pentru a compensa efectele ei ci si pentru a o folosi activ in timpul croazierei spre Mercur.
Sistemul AOCS ce asigura o precisa stabilizare triaxiala este compus din partea de senzori si partea de comanda efectiva-elementele de control.
Messenger este echipat cu 2 camere stelare (popularul model A-STR construit de Galileo Avionica)- ce masoara la o frecventa de 10 Hz, inertial in raport cu stelele observate in campul vizual orientarea in spatiu a satelitului, 2 senzori solari-care masoara directia Soarelui si 1 SIRU (Space Inertial Reference Unit) – care este de fapt un clasic IMU (inertial measurement unit). Acesta din urma este construit de Northrop-Grumman- inglobeaza 4 giroscoape si 4 accelerometre (tip Honeywell QA3000) si reuseste sa masoare variatiile de viteza si acceleratie extrem de precis, la o frecventa de 100 Hz.
Partea de control efectiv al pozitiei satelitului este realizata in doua moduri : micile corectii se fac cu ajutorul unui sistem de 4 roti volante (reaction wheels) de tip Teldix RSI 7-75/601 ce furnizeaza 0.075 Nm si pot inmagazina pana la 7.5 Nms, iar corectiile importante (si descarcarea de moment a RWL) se fac cu ajutorul motoarelor de la bord.
Messenger dispune de un motor principal numit LVA (large velocity adjust) folosit pentru transferul orbital si dezvoltand 667 N, 4 motoare de cate 22 N folosite pentru corectie orbitala si 12 motoare de 4.4 N pentru stabilizarea in zbor.
Motorul principal este bipropelant folosind o combinatie de hidrazina pe post de combustibil si de ‘nitrogen tetroxide’ pe post de oxidant. Cele 2 sunt pastrate in rezervoare separate, iar un alt rezervor de heliu asigura alimentarea sistemului la presiune constanta si functionarea la parametrii corecti.
Celelalte motoare sunt de tip monopropelant, functionand pe baza de hidrazina.
In total satelitul este echipat cu 3 rezervoare principale (2 cu N2H4 si 1 cu N2O4), un rezervor secundar (N2H4) si un rezervor auxiliar (He). Legatura intre rezervoare si motoarele propriu zise se face cu ajutorul unui sistem complex de conducte de alimentare a caror inchidere/deschidere poate fi controlata de 9 supape speciale. Deasemenea, controlul termic al conductelor (un element esential pentru a prevenii inghetarea hidrazinei ce are un punct de inghet scazut) se face cu ajutorul unor termistori dedicati.
Revenind la partea de algoritmi care controleaza pozitia satelitului trebuie spus ca inginerii le-au grupat in trei mari categorii/scenarii de zbor fiecare avand propriille caracteristici si capabilitati- cu intentia de a asigura o cat mai buna protectie a echipamentelor dar in acelasi timp si functionarea automata cu minimul de interventie de pe Pamant.
Cele 3 mari categorii se numesc : OP (operational mode), SH (safe hold mode) si EA (Earth aquisition mode). La randul lor, cele 3 moduri au fiecare cate 2 sub-moduri distincte : normal si autonom.
Trecerea dintr-un mod in altul se face automat (decizia apartine software-ului de bord) sau comandat (decizia apartine inginerilor din centrul de comanda).
Sistemul AOCS combina asadar masuratorile venite de la partea de senzori si predictiile orbitale ale planetelor (incorporeaza un model matematic dedicat acestei activitati)- si foloseste mai departe un filtru Kalman pentru estimari si propagarea pozitiei satelitului.
Vom face o analiza amanuntita a performantelor sistemului asa cum au rezultat ele in timpul perioadei de croaziera spre Mercur, intr-un articol separate dedicat orbitei lui Messenger si manevrelor efectuate in lungul drum de la Pamant catre destinatia sa finala.

credit NASA

partea 1 a articolului

partea 2 a articolului