MESSENGER (sonda kosmiczna)

MESSENGER

Artystyczna ilustracja sondy MESSENGER na orbicie Merkurego (strona internetowa NASA)
Inne nazwy	S28391
Zaangażowani	NASA
Indeks COSPAR	2004-030A
Rakieta nośna	Delta II 7925H-9.5
Miejsce startu	Stacja Sił Powietrznych Cape Canaveral, Stany Zjednoczone
Cel misji	Merkury
Orbita (docelowa, początkowa)
Okrążane ciało niebieskie	Merkury
Perycentrum	200 km[1]
Apocentrum	15 000 km
Czas trwania
Początek misji	3 sierpnia 2004 (06:15:56,537 UTC)
Koniec misji	30 kwietnia 2015
Wymiary
Wymiary	kadłub: 1,44 m × 1,28 m × 1,85 m rozpiętość całkowita 6,14 m
Masa całkowita	1107 (w tym 599,4 kg paliwa)[2] kg

MESSENGER (pol.) posłaniec, skrótowiec pełnej nazwy: Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry and Ranging – sonda kosmiczna amerykańskiej agencji NASA, której celem było badanie planety Merkury. Była to pierwsza misja poświęcona tej planecie od czasu Marinera 10, tj. od 33 lat. Sonda wystrzelona została 3 sierpnia 2004 roku.

Sonda została zaprojektowana w celu zbadania charakterystyki i środowiska Merkurego z orbity wokółplanetarnej. Jej zadaniem było poznanie chemicznych właściwości powierzchni planety, historii geologicznej, natury pola magnetycznego, wielkości i stanu jądra oraz natury egzosfery i magnetosfery planetarnej.

Misja orbitalna sondy przewidziana była na jeden rok ziemski (4 lata merkuriańskie), jednak dwukrotnie ją przedłużano. Ostatecznie zakończyła się 30 kwietnia 2015 roku uderzeniem statku w powierzchnię planety^[3].

Misję MESSENGER-a ma uzupełnić, planowana na lata 2018–2028, misja BepiColombo, będąca zarazem pierwszą wspólną misją agencji kosmicznych ESA i JAXA.

Budowa i działanie

Prace nad sondą MESSENGER

Szkielet sondy był zbudowany z epoksydów grafitowych, co zapewniało lekkość i wytrzymałość konstrukcji.

Dwa panele ogniw słonecznych dostarczały 385-485 W mocy podczas lotu i 640 W na orbicie Merkurego. Ładowały one akumulator Ni-MH, będący źródłem energii elektrycznej dla statku.

Statkiem zarządzały dwa niezależne, zintegrowane moduły elektroniczne, w których skład wchodziły komputery RAD6000, odporne na promieniowanie. Każdy moduł zawierał po dwa procesory: główny, taktowany z częstotliwością 25 MHz, i zapasowy, taktowany z częstotliwością 10 MHz. Do przechowywania danych służyły dwa dyski typu SSD, każdy o pojemności 1 GB. Komputer pokładowy pobierał, kompresował i zapisywał na nich zdjęcia i dane z instrumentów naukowych, sortował je, a najważniejsze informacje przesyłał w pierwszej kolejności na Ziemię. Operatorzy misji mogli również sami decydować, które dane i w jakiej kolejności chcą pobierać.

System określania pozycji statku używał szukaczy gwiazd oraz zespołu czterech żyroskopów i czterech przyspieszeniomierzy. Jako układ zapasowy służyło sześć wykrywaczy Słońca. Położenie statku zmieniane było za pomocą czterech żyroskopów lub silniczkami o małym ciągu.

MESSENGER odbierał komendy z Ziemi i nadawał dane przez anteny pasma X z fazowaniem (polaryzacja kołowa).

Sonda wymagała specjalnej ochrony przed promieniowaniem słonecznym, szczególnie intensywnym w sąsiedztwie Merkurego – natężenie promieniowania słonecznego jest tam 11 razy większe niż na Ziemi, a temperatura powierzchni Merkurego sięga 450 °C. Wszystkie systemy były utrzymywane w temperaturze pokojowej dzięki okryciu jednej całej strony statku ceramiczną osłoną odporną na wysokie temperatury. Wymagała ona, aby sonda była zwrócona do Słońca zawsze osłoniętą stroną.

Instrumenty naukowe

Rozmieszczenie przyrządów naukowych na sondzie MESSENGER

• Podwójny system obrazowania (Mercury Dual Imaging System, MDIS) – zestaw dwóch kamer (wąsko- i szerokokątnej) do fotografowania powierzchni Merkurego i zbierania danych topograficznych. Umieszczone na ruchomej platformie pozwalającej na obserwowanie wybranych obszarów, niezależnie od pozycji całego statku.
• Spektrometr promieniowania gamma i neutronów (Gamma-Ray and Neutron Spectrometer, GRNS) – przyrząd wykrywający izotopy promieniotwórcze w skorupie Merkurego. Pozwalał na określenie względnej obfitości pierwiastków budujących badaną planetę. Miał również pomóc zweryfikować hipotezę o lodzie zalegającym na biegunach planety, które nigdy nie są wystawione na bezpośrednią ekspozycję słoneczną.
• Spektrometr promieniowania rentgenowskiego (X-Rays Spectrometer, XRS) – zadania podobne jak GRNS. Miał pomóc wykryć niskoenergetyczne promieniowanie X jakie może emitować powierzchnia Merkurego pod wpływem promieni gamma i X emitowanych przez Słońce.
• Magnetometr (Magnetometer, MAG) – przyrząd służący do badania pola magnetycznego planety, a tym samym do wykrywania skał o właściwościach magnetycznych. Umieszczony na wysięgniku o długości 3,6 metra.
• Wysokościomierz laserowy (Mercury Laser Altimeter, MLA) – wykonywanie map topograficznych Merkurego i pomiar odległości statek-planeta.
• Spektrometr składu atmosfery i powierzchni (Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer, MASCS) – spektrometr pracujący w paśmie podczerwieni i ultrafioletu, co pozwalało mu określać skład gazów (atmosfery) i ciał stałych (powierzchnia Merkurego).
• Spektrometr cząstek energetycznych i plazmy (Energetic Particle and Plasma Spectrometer, EPPS) – służył do badania składu, dystrybucji i energii cząstek naładowanych (elektronów i jonów) w magnetosferze Merkurego.
• Eksperyment radiowy (Radio Science, RS) – służył dopplerowskiemu pomiarowi prędkości statku podczas orbitowania wokół Merkurego, co pozwoliło na wyznaczenie rozkładu masy pod powierzchnią planety (odróżnianie, np. gęstych skał od pustych przestrzeni).

Historia misji

Przygotowania

Przebieg trajektorii lotu sondy MESSENGER

• lipiec 1999 – NASA wybiera misję MESSENGER jako siódmą misję programu Discovery
• grudzień 1999 – wstępne prace projektowo-badawcze
• lipiec 2001 – rozpoczęcie końcowych prac projektowych
• luty 2003 – rozpoczęcie montażu i testowania elementów statku
• grudzień 2003 – MESSENGER przechodzi testy środowiskowe w Goddard Space Flight Center
• marzec 2004 – końcowe przygotowania przed startem w Astrotech Space Operations
• 10 marca 2004 – pierwsza planowana data startu (kolejna planowana data była określona na 11 maja)
• 24 marca 2004 – decyzja o przesunięciu startu na przełom lipca i sierpnia z powodu opóźnień w montażu sondy i przygotowaniu oprogramowania procedur awaryjnych
• 29 czerwca 2004 – przełożenie startu na 2 sierpnia w związku z opóźnieniem montażu innej rakiety Delta II
• 21 lipca 2004 – umieszczenie statku w rakiecie nośnej
• 2 sierpnia – opóźnienie startu o 24 h z powodów niesprzyjających warunków atmosferycznych

Wystrzelenie rakiety nośnej Delta II z sondą MESSENGER, 3 sierpnia 2004

Przebieg misji (według czasu UTC)

• 3 sierpnia 2004 – start i wyniesienie w przestrzeń kosmiczną
• 24 sierpnia 2004^[4] – wykonanie manewru TCM-1 o godz. 21:03:35. Na 215 sekund włączono silniczki średniego ciągu (dV=18 m/s) w celu skorygowania orbity heliocentrycznej
• 24 września 2004 – o godz. 18:00 wykonano manewr TCM-2. Na 62 sekundy włączono silniczki średniego i małego ciągu (dV=4,59 m/s). Ostateczne skorygowanie orbity heliocentrycznej
• 18 listopada 2004 – manewr TCM-3. Włączenie na 48 sekund silniczków średniego ciągu (dV=3,2 m/s)
• 23 czerwca 2005 – manewr TCM-5. Na 174 sekundy włączono silniczki małego ciągu (dV=1,1 m/s)
• 21 lipca 2005 – o godz. 18:00:01 wykonano manewr TCM-6. Na 23 sekundy włączono silniczki małego ciągu (dV=0,1 m/s)
• 2 sierpnia 2005 – o godz. 19:13 sonda zbliżyła się do Ziemi wykonując manewr asysty grawitacyjnej. Zbliżenie na odległość 2348 km miało miejsce nad Mongolią. Średnia odległość sondy od Słońca zmniejszyła się o ponad 33 mln km
• 12 grudnia 2005 – o godz. 11:30 wykonano manewr DSM-1. Na 524 sekundy uruchomiono silnik główny sondy (dV=316 m/s)
• 22 lutego 2006 – o godz. 16:00 wykonano manewr TCM-10. Na ponad 2 minuty włączono silniczki małego ciągu (dV=1,4 m/s)
• 12 września 2006 – złożony manewr TCM-11. O godz. 23:00 na 23 sekundy włączono jeden z zestawów silniczków dużego ciągu, a o godz. 23:10, na 202 sekundy, drugi zestaw, prostopadły do pierwszego (dV=1,68 m/s)
• 5 października 2006 – o godz. 22:30 wykonano manewr TCM-12. Włączenie silniczków na 58 sekund (dV=0,498 m/s)

Zdjęcie Wenus wykonane podczas drugiego zbliżenia do tej planety

• 24 października 2006 – o godz. 08:34 sonda zbliżyła się do Wenus na odległość 2987 km. Manewr ten zmienił orbitę heliocentryczną sondy z 0,6 × 1,065 j.a. (nachylenie 2,6°) na 0,55 × 0,90 j.a. (nachylenie 8,1°)
• 3 grudnia 2006 – manewr TCM-13. Silniki sondy zostają włączone trzykrotnie: o godz. 00:00 (na 1670 sekund), o godz. 01:00 (na 97 sekund) i o godz. 06:00 (na 1640 sekund). Łączna zmiana prędkości wyniosła 25,6 m/s
• 25 kwietnia 2007 – o godz. 17:30 wykonano manewr TCM-15. Na 140 sekund włączono silniczki sondy (dV=0,568 m/s). Krótko po jego rozpoczęciu sonda zaczęła tracić orientację. Kompensowanie ciągłym uruchamianiem silniczków spowodowało dV mniejsze od planowanego (dV=0,767 m/s)
• 25 maja 2007 – o godz. 20:00 wykonano manewr TCM-16. Uruchomienie silniczków na 36 sekund (dV=0,212 m/s)
• 5 czerwca 2007 – o godz. 23:08 nastąpiło drugie zbliżenie do Wenus. Najmniejsza odległość do planety wyniosła 338 km
• 17 października 2007 – o godz. 22:00 wykonano manewr DSM-2. Na ponad 5 minut uruchomiono silnik główny sondy (dV=226 m/s). O 22:30 na około 2 minuty włączono silniczki małego ciągu (dV=1,4 m/s)
• 19 grudnia 2007 – o godz. 22:00 wykonano manewr TCM-19. Włączenie silniczków na 110 sekund (dV=1,1 m/s)

Fotografia Merkurego wykonana podczas pierwszego zbliżenia do niego

• 14 stycznia 2008 – o godz. 19:04:39 sonda pierwszy raz zbliżyła się do Merkurego (min. odległość 201,4 km) dokonując manewru asysty grawitacyjnej^[2]. W jego wyniku parametry orbity heliocentrycznej zmieniły się z 0,33 × 0,75 j.a. na 0,32 × 0,70 j.a.
• 19 marca 2008 – o godz. 19:30 wykonano manewr DSM-3 (dV=72,2 m/s)
• 3 lipca 2008 – ogłoszenie odkrycia wody w egzosferze Merkurego^[5]
• 6 października 2008 – o godz. 08:40 nastąpiło drugie zbliżenie do Merkurego (minimalna odległość 199,4 km)^[6]
• 15 października 2008 – osiągnięcie największej prędkości (w stosunku do Słońca) w trakcie misji – 62,979 km/s^[7]
• 4 grudnia 2008 – o godz. 20:30 wykonano manewr DSM-4A (dV=219 m/s)
• 8 grudnia 2008 – o godz. 20:30 wykonano manewr DSM-4B (dV=24,7 m/s)
• 29/30 września 2009 – trzecie zbliżenie do Merkurego (min. odległość 228 km)^[8]. Wykonano kolejne zdjęcia Merkurego^[9][10]
• 29 listopada 2009 – manewr DSM-5
• 18 marca 2011 – wejście na orbitę Merkurego jako pierwszy obiekt zbudowany przez człowieka
• 29 marca 2011 – pierwsze zdjęcia Merkurego
• 4 kwietnia 2011 – rozpoczęła się 12-miesięczna faza badań naukowych
• 9 listopada 2011 – NASA ogłasza, że przedłuży orbitalną misję MESSENGER-a o rok
• 17 marca 2012 – zakończenie misji podstawowej
• 18 marca 2012 – oficjalne rozpoczęcie misji przedłużonej^[11]
• 17 marca 2013 – zakończenie misji przedłużonej
• 18 marca 2013 – rozpoczęcie drugiej misji przedłużonej^[12].
• 25 marca 2015 – sonda po raz 4000. okrążyła planetę. Jej orbita przebiegała coraz bliżej powierzchni Merkurego^[13].
• 28 kwietnia 2015 – wykonany został ostatni z siedmiu manewrów korekcyjnych. W związku z wyczerpaniem się paliwa sonda nie mogła już zmienić orbity. Pod koniec misji Messenger prowadził badania na bardzo niskiej orbicie nad powierzchnią Merkurego. W ciągu ostatniego miesiąca sonda przelatywała na wysokości od 5 do 35 km nad powierzchnią^[14].
• 30 kwietnia 2015 o 19:26 UTC – sonda roztrzaskała się o powierzchnię Merkurego, po wykonaniu 4105 orbit wokół planety^[15]. Sonda wykonała ponad 277 tysięcy zdjęć. Rozbiła się po niewidocznej z Ziemi w tym czasie stronie planety^[16]. Messenger uderzył w powierzchnię z prędkością około 14 tys. km/godz. Na powierzchni Merkurego powstał krater o średnicy około 16 metrów^[14]. Misja pozwoliła ustalić, że promień planety zmniejszył się o siedem kilometrów, co zgadza się z modelem termicznym. Według tych danych promień Merkurego wynosi 2440 kilometrów^[17].

Całkowity koszt misji wyniósł około 446 milionów USD. W sumie tej zawarty jest koszt budowy sondy i jej instrumentów naukowych, rakiety nośnej oraz koszty operacyjne podczas całej misji^[2].

Zobacz też

• Mariner 10

Przypisy

Bibliografia

• Oficjalna strona misji (ang.)
• NASA (ang.)
• Jonathan's Space Home Page (ang.)
• Loty Kosmiczne (pol.)