Astazi 10 septembrie 2011, dupa o amanare de doua zile fata de data programata initial, datorata conditiilor meteo nefavorabile, a fost lansata o noua misiune de explorare a Lunii. O racheta de tip Delta 2 Heavy plecata de la complexul 17B al bazei spatiale Cape Canaveral a ridicat cu succes in spatiu cea mai noua misiune NASA- denumita GRAIL adica ‘Gravity Recovery and Interior Laboratory’.

Racheta Delta 2 s-a aflat astazi la ultimul zbor de la baza Cape Canaveral dupa mai bine de 22 de ani de operare.
Intr-un articol SpaceAlliance dedicat lansarii satelitului GPS 2R-21 relatam despre iesirea din serviciul US Air Force dupa o activitate de 20 de ani a veteranei Delta 2 si inlocuirea ei cu mai puternicele Atlas5 si Delta4.
link
Zborul inaugural al rachetei Delta 2 a avut loc pe 14 februarie 1989 de la baza Cape Canaveral complexul 17A atunci cand incarcatura a fost un satelit GPS- Navstar 2A sau GPS 14.
In lunga sa perioada de operare racheta a reusit printre altele 49 de lansari dedicate sistemului GPS si 55 sistemului Iridium. Cu atat mai remarcabil cu cat in intreaga sa istorie nu a inregistrat decat un esec total si unul partial, deci o fiabilitate impresionanta pentru acest domeniu.
Un total de 108 zboruri au fost efectuate de la complexul Cape Canaveral cu un cost estimat de aproximativ 36 miloane de dolari pe lansare.
Spuneam atunci ca desi pensionata din activitate de armata americana, racheta va continua sa zboare si in 2011 (in cadrul unor misiuni pentru NASA sau pentru operatori comerciali).
Dincolo de 2011 insa, in ciuda bogatei sale istorii, versiunea Delta 2 are totusi un viitor incert. Momentan un singur zbor mai este contractat: satelitul meteorologic NPP.
Teoretic, la depozitare mai sunt componente suficiente pentru constructia altor 5 rachete, dar deocamdata lor nu li s-a gasit o intrebuintare, piata lansatoarelor medii fiind deja aglomerata de alte rachete de conceptie mai moderna si mai versatile decat Delta 2. 
Precedenta lansare, despre care am scris la momentul respectiv, s-a petrecut tot in 2011, pe 10 iunie, pasagerul de la bord fiind SAC-D-un parteneriat intre NASA si CONAE- agentia spatiala argentiniana (Comisión Nacional de Actividades Espaciales).
link
Spre deosebire de atunci cand configuratia folosita a fost 7320-10C, de aceasta data s-a zburat in configuratia 7920H-10C- o racheta cu inaltimea de 39 de metri, un diametru de 2.4metri si o greutate de 231 tone si fiind dotata cu doua trepte : un motor RS-27A dezvoltand 1054kN in prima treapta si un motor AJ-10-118K-ITIP dezvoltand 46.3kN in treapta a doua.
Acestora li se adauga noua ‘boostere’ GEM 46 ce dezvolta fiecare 628.3 kN.
In aceasta configuratie racheta este capabila sa transporte pe orbita mase pana la 5030 kg in cazul unui scenariu LEO (low earth orbit) sau 3123 kg in cazul unui scenariu SSO (sun synchronous orbit).

Aceasta a fost a 95-a incercare consecutiva reusita de racheta Delta 2 dupa incidentul din 1997 care a intrerupt seria succeselor (in total lansatorul american ajungand la 148 de zboruri utile din 150 de incercari).
Deasemenea a fost zborul cu numarul 355 in istoria seriei Delta care a inceput operarea in anii 60.

Sa ne intoarcem insa la subiectul principal al articolului.
Misiunea GRAIL, formulata pentru prima data in 2006 si care a fost oficial confirmata ca parte a programului Discovery (al 11-lea satelit din acest program), a costat NASA 496 de milioane de dolari. Ea va fi coordonata pe partea de operare de divizia JPL in cooperare cu partenerul industrial Lockheed Martin Space Systems, in timp ce Goddard Space Flight Center (GSFC) si Massachusetts Institute of Technology (MIT) vor asigura prelucrarea si distributia datelor culese catre baza centrala de date a agentiei americane- sistemul ‘Planetary Data System’.

Explorarea Lunii nu este o noutate- probe rusesti si americane, si mai nou europene, japoneze, chineze si indiene au investigat in amanunt satelitul natural al Pamantului, fie de pe orbita, fie unele chiar au coborat pe sol si au adus mostre, ca sa nu amintim de misiunile Apollo cu echipaj uman- astfel ca o buna intrebare ar fi ce justifica aceasta misiune sau mai simplu spus ce aduce in plus fata de restul satelitilor de pana acum?
Pentru a raspunde la aceasta intrebare ar trebui sa ne uitam pe lista experimentelor pe care NASA o propune pentru GRAIL.
Primul pe aceasta lista este campul gravitational lunar care se spera sa fie cercetat in detaliu. Atunci cand GRAIL isi va termina misiunea se crede ca harta gravitationala lunara va fi imbunatatita intre 100 si 1000 de ori fata de cunostintele noastre actuale.
Urmeaza investigarea crustei lunare si a litosferei si indirect obtinerea structurii geologice interioare a Lunii : intelegerea cauzelor care determina fenomenul de evolutie termica asimetrica, a evolutiei crustei si interiorului, determinarea marimii nucleului interior etc.
Exista o explicatie concreta pentru aceste intrebari pe care si le-au pus cercetatorii. In timpul precedentelor misiuni exploratorii s-a constatat o variatie puternica a campului gravitational lunar, fenomen care afecteaza direct zborul satelitilor.
Exista zone de concentratie, puncte unde campul gravitational este mult mai intens si fara corectii periodice, satelitii, in special atunci cand au o inaltime orbitala scazuta, ar risca prabusirea la sol.
Aceste puncte denumite ‘mascons’ prescurtare de la ‘mass concentrations’ sunt ascunse sub suprafata lunara si au fost provocate de impactul unor asteroizi de dimensiuni mari cu miliarde de ani in urma.

 

Cum reuseste insa NASA sa masoare variatiile campului gravitational lunar ?
Ideea nu este tocmai noua. Ea a fost folosita cu succes prima data pe Pamant atunci cand in 2002 era lansata misiunea americano-germana GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment).
Era vorba de 2 sateliti care zburau in formatie pe o orbita LEO (low Earth orbit) si care supusi gravitatiei terestre, se comportau ca doua corpuri de proba in laborator.
Cei doi sateliti porneau de la o distanta de referinta, iar apoi, pe parcursul mai multor orbite, functie de zonele terestre deasupra carora treceau (si de variatia gravitatiei locale) distanta dintre cei doi sateliti si altitudinea orbitei lor se micsora sau se marea.
Prin masurarea cu precizie a acestor variatii se putea realiza o harta tridimensionala a campului gravitational terestru.

 

 
Copiind acelasi concept GRAIL vine cu 2 sateliti zburand in formatie deasupra Lunii- o noutate absoluta din acest punct de vedere- primul zbor in formatie in afara atmosferei Pamantului.
Reconstructia modelului gravitational nu va fi insa una simpla ci va implica din partea oamenilor de stiinta corectii cu privire la rezistenta indusa de atmosfera lunara (care chiar daca este foarte rarefiata isi face simtita prezenta), efectele gravitationale induse de celelalte planete etc.

Cine sunt cei 2 sateliti GRAIL ? Cele doua platforme denumite A si B copiaza arhitectura satelitului XSS-11 (eXperimental Satellite System-11) care fusese lansat in anul 2005 de U.S. Air Force Research Laboratory intr-o orbita LEO si o parte din avionica lui Mars Reconnaissance Orbiter. Aceasta arhitectura testata cu succes in spatiu este una extrem de robusta, asigura o excelenta stabilitate termica si un control foarte bun asupra centrului de masa-esential pentru natura misiunii.
Desi similari, cei 2 sateliti GRAIL nu sunt identici si drept urmare nu pot fi inversati in formatie. Ei vor zbura despartiti de o distanta care se estimeaza sa varieze intre 65 si 225 kilometri, GRAIL-A primul urmat de GRAIL-B, intr-o orbita joasa polara, aproape circulara, cu altitudinea de 50 km si perioada orbitala de 113 minute.
Misiunea va fi una de scurta durata- aproximativ 270 de zile in total, cu numai 82 de zile dedicate asa numitei ‘science-phase’ perioada cand cei 2 sateliti vor fi folositi efectiv pentru producerea de date stiintifice, si care va incepe pe 8 martie 2012.

 

In total vor fi inregistrate 3 rotatii complete ale Lunii (3 cicluri ‘mapping cycle’ a cate 27.3 zile terestre) si vor avea loc 2 mici manevre de corectie orbitala.
In functie de starea echipamentelor de bord, dupa aceasta perioada se va decide daca va fi posibila o scurta extensie (‘extended mission phase’).
Sfarsitul misiunii (‘decommissioning period’) va fi realizat in decursul a 5 zile, cand satelitul va fi deorbitat progresiv pana la 15-20 km altitudine si sistemele de la bord vor fi practic pregatite pentru impactul lunar ce va avea loc aproximativ 40 de zile mai tarziu.
Sa spunem cateva cuvinte insa si despre prima faza a misiunii- calatoria in sine de la Pamant la Luna (‘trans-lunar cruise phase’) care dureaza 3.5 luni.
Spre deosebire de misiunea GRACE de care aminteam mai devreme, si unde a fost posibil transferul celor doi sateliti direct in orbita dorita (ca formatie), aici un transfer direct catre Luna ar fi extrem de costisitor din punct de vedere al combustibilului.

 

 

De aceea s-a ales solutia separarii celor 2 sateliti, care vor avea dupa lansare traiectorii independente si care dupa aproximativ 20 de manevre succesive vor converge impreuna in orbita finala in jurul Lunii, GRAIL-A fiind asteptat la destinatie pe 31 decembrie 2011, iar GRAIL-B 25 de ore mai tarziu pe 1 ianuarie 2012.
In prima faza insa cei 2 vor calatori in jurul punctului Lagrange L1 al sistemului Soare-Pamant- facand in acest fel o economie de combustibil echivalenta a aproximativ 130 m/s in termenii vitezei necesare pentru captura lunara, lasand inginerilor mai mult timp de a efectua teste in zbor si nu in ultimul rand realizand asa numitul ‘out-gassing’-indepartarea oricaror particule care de obicei se ataseaza structurii satelitilor in timpul lansarii prin atmosfera terestra si care ar putea teoretic contamina experimentele stiintifice.
In total GRAIL-A va parcurge o distanta de 4.17 milioane km in timp ce GRAIL-B o distanta de 4.28 milioane km.

Dupa captura lunara, cei 2 sateliti vor fi manevrati de la o orbita eliptica inalta (cu o perioada initiala de 11.5 ore) la o orbita circulara cu o perioada de 113 minute.
De acolo, pana la sfarsitul misiunii, ei vor mai parcurge inca 21.23 milioane km respectiv 20.6 milioane km.

 

 

Revenind la caracteristicile tehnice, ei sunt de dimensiuni reduse, comparabile cu cele ale unei masini de spalat-cantaresc la lansare 132.6 kg plus 69.9 kg de combustibil, adica suficient de mici pentru a putea fi transportati amandoi de o singura racheta.
Sistemul de control al atitudinii asigura o stabilizare triaxiala perfecta si inglobeaza senzori solari de tip Adcole, camere stelare (modelul clasic Galileo A-STR care a zburat pe foarte multi sateliti americani in trecut) si IMU-‘inertial measurement unit’ de tip Honeywell Block-III.
Camerele stelare sunt cei mai precisi senzori ce pot fi montati pe un satelit, ei determina pozitia in spatiu in functie de stele-adica un reper inertial, dar nu pot fi folosite 100% din timp, ele suferind de interferente optice (spre exemplu cand sunt orientate catre alte planete sau catre Soare).
Pentru aceste scurte momente cand ele sunt inutilizabile, senzorul principal devine IMU care este de fapt un giroscop de mare precizie.
Senzorii solari nu sunt atat de precisi ca ceilalti 2 amintiti mai devreme dar sunt foarte simpli si siguri in operare –drept urmare ei se folosesc in special pentru scenariul cand satelitul trece in ‘safe-mode’ si cand o prioritate este orientarea catre Soare pentru producerea energiei electrice.

Partea de comanda propriu zisa face uz de dispozitive de stocare si generare a momentului unghiular-‘reaction wheels’- 4 la numar de tip Goodrich AA-RWA asezate in piramida si un sistem de motoare care include un motor pricipal de corectie orbitala cu o forta de tractiune de 22N, folosit pentru manevrele de mare anvergura (cum ar fi LOI-‘lunar orbit insertion’ de care aminteam mai devreme) si 8 motoare secundare de cate 0.8 N fiecare pentru stabilizarea zborului pe orbita sau pentru desaturarea RW.
Rezervorul principal de combustibil este plasat in interiorul structurii cat mai aproape de centrul de masa pentru a minimiza perturbatiile si este presurizat cu ajutorul He (o diafragma speciala separa He de hidrazina).

Structura este una realizata din materiale compozite si asigura o foarte buna rigiditate. Ea incorporeaza un sistem de control termic pasiv- realizat prin suprapunerea unor straturi speciale de materiale izolatoare, dar in egala masura regasim radiatoare de caldura sau termistori pentru cazul cand satelitii trebuie incalziti (fluxul solar variaza intre 1323 W/m2 si 1414 W/m2, in timp ce albedo lunar variaza intre 0.06 si 0.13).

Sistemul de putere este compus din 2 panouri solare cu suprafata de 1.9 m2, continand 520 de celule si furnizand fiecare un minim de 700 W la distanta de o unitate astronomica (EOL-‘end of lifetime’ adica la sfarsitul misiunii -o referinta standard pentru orice proiectant de sateliti- cand se ia in calcul degradarea celulelor solare). Cele doua panouri solare sunt pliate in timpul lansarii, dar scurt timp dupa separarea de racheta ele sunt desfasurate si raman in pozitie fixa pentru tot restul misiunii.
Surplusul de energie este inmagazinat in baterii construite in tehnologie Li-Ion, fiecare avand o capacitate de 30Ah. Trebuie spus aici ca la proiectarea misiunii, inginerii au tinut cont de evitarea a 2 eclipse majore cu care cei 2 sateliti se vor confrunta : una pe 10 decembrie 2011 (evitata datorita lansarii, la acea data satelitii aflandu-se pe drum si nu la destinatie), iar cealalta pe 4 iunie 2012- data pana cand misiunea va fi cel mai probabil deja incheiata.

Sistemul de comunicatii include : 2 antene in banda S care asigura schimbul de date intre statiile de sol si sateliti (telemetria de baza la o rata intre 1-128 kbps si telecomenzile la o rata de 2kbps), 2 antene in banda X pentru masuratori Doppler de pe Pamant, o alta antena in banda S care realizeaza o transmisie bidirectionala intre cei doi sateliti (un semnal special de sincronizare a timpului asa cum vom arata mai tarziu) si in sfarsit partea cea mai interesanta- o antena in banda Ka pentru masurarea precisa a distantei intre cele doua platforme.
Primele 2 perechi de antene au fost montate la 180 de grade diferenta-una pe fata iluminata a satelitilor si cealalta pe fata opusa- pentru a avea o vizibilitate permanenta a Pamantului fara necesitatea instalarii unui mecanism de rotatie la bord (care ar putea aduce perturbatii in stabilirea centrului de masa si implicit in masuratorile stiintifice).
Pentru comunicatie NASA va folosi reteaua sa Deep Space Network- respectiv statiile Goldstone, Madrid si Canberra- 2 contacte pe zi, fiecare de cate 8 ore.

Computerul de bord- asa numitul C&DH adica ‘command and data handling’ foloseste o platforma BAE Rad 750 ce ruleaza un SW dezvoltat de Lockheed Martin Space Systems Company si asigura functionalitatea de baza pentru telemetrie, telecomenzi, colectarea datelor, controlul instrumentelor , gestionarea puterii etc.

Daca este sa ne referim la experimente, ele sunt 2 : Lunar Gravity Ranging System (LGRS)- experimental principal si MoonKAM- o camera ce captureaza imagini.
LGRS derivat deasemenea de la satelitii GRACE acolo unde purta numele de ‘K-Band Ranging’ (KBR), inglobeaza :
• Ultra-Stable Oscillator (USO)
• Microwave Assembly (MWA)
• Time-Transfer Assembly (TTA)
• Gravity Recovery Processor Assembly (GPA)

USO asigura frecventa de referinta pentru MWA si TTA, iar MWA converteste acest semnal de referinta in frecventa in banda Ka care este mai apoi transmisa celuilalt satelit si respectiv reconversia in semnal de referinta.

 TTA asigura la randul lui linkul bidirectional pentru masurarea diferentei de timp intre cele doua ceasuri LGRS si mai apoi sincronizarea lor corecta.
TTA genereaza un semnal in banda S pornind de la frecventa de referinta a USO si trimite un semnal de calibrare catre celalalt satelit.
Mai departe GPA combina semnalele receptionate de la MWA si TTA pentru a produce date radiometrice care sunt downloadate catre Pamant.
LGRS produce si direct un semnal bazat pe semnalul venit de la USO – date care sunt trimise catre statia de sol folosind antena in banda X.

Celalalt experiment din categoria ‘Education/Public Outreach’ (E/PO) -MoonKAM al carui nume vine de la ‘Moon Knowledge Acquired byMiddle school students’ este dezvoltat de universitatea din San Diego, California.
Se estimeaza ca aproximativ 20000 de imagini vor fi produse, camera fiind disponibila oricarui student care doreste sa se inregistreze in sistem.

Cateva date despre Luna:
-Luna are o varsta estimata la aproximativ 4.5 miliarde de ani
-raza Lunii are o valoare de 1/3.67 din raza Pamantului adica 1737 km
-masa Lunii are o valoare de 1/81.301 din masa Pamantului
-suprafata Lunii masoara 3.79 x 10E7 km2 adica un pic mai mare decat Africa (3.02 x 10E7 km2) si un pic mai mic decat Asia (4.46 x 10E7 km2)
-densitatea medie a Lunii este de 3.35 ori mai mare decat cea a apei
-cel mai jos loc de pe Luna din punct de vedere al altitudinii este bazinul Aitken in apropierea polului sud- cu diametrul de 2240 km, care coboara pana la 13 km sub nivelul suprafatei selenare si care este totodata si cel mai mare crater descoperit pana acum in sistemul solar
-cel mai inalt punct de pe Luna este Mons Huygens cu altitudinea de 5.4 km deasupra suprafetei solului
-cateva cuvinte despre atmosfera lunara : temperatura variaza in timpul zilei intre 100 si 400 K, masa intregii atmosfere este de aproximativ 25000 kg, iar ea este compusa din Heliu 4 (4He), Neon 20 (20Ne), Hidrogen (H2), Argon 40 (40Ar), Neon 22 (22Ne), Argon 36 (36Ar), Metan, Amoniac, Dioxid de carbon (CO2), Oxigen (O+), Aluminiu (Al+), Siliciu (Si+), Fosfor (P+), Sodium (Na+), Magneziu (Mg+)

Ce s-ar intampla daca Luna nu ar exista ?
-Pamantul s-ar invarti de 3 ori mai rapid astfel ca o zi terestra ar dura numai 8 ore ; o consecinta directa ar fi prezenta unor vanturi mult mai puternice decat azi si un camp magnetic de 3 ori mai intens
-nu ar exista lumina lunara in timpul noptii, toate noptile ar fi la fel ca in timpul fazei de ‘Luna noua’
-nu ar exista eclipse solare
-mareele ar fi de mult mai mica anvergura, singura influenta asupra oceanelor venind din partea Soarelui

Interfata GE a SpaceAlliance care permite explorarea satelitului natural al Pamantului :
link

Vom incheia acest articol urandu-le succes celor de la NASA pentru aceasta misiune interesanta si suntem siguri ca asa cum ne-au obisnuit ‘failure is not an option’.
Vom reveni cu ultimele stiri, pe masura ce agentia americana va face publice date stiintifice sau imagini.

credit NASA