El Proyecto Echo fue el primer experimento con satélites de comunicaciones pasivas . Las dos naves espaciales estadounidenses, lanzadas en 1960 y 1964, eran satélites con forma de globo metalizado que actuaban como reflectores pasivos de señales de microondas . Las señales de comunicación se transmitían desde un punto de la Tierra y rebotaban en la superficie del satélite hacia otro punto de la Tierra. [1]
Las primeras transmisiones utilizando Echo fueron enviadas desde Goldstone, California , a Crawford Hill en Holmdel, Nueva Jersey , el 12 de agosto de 1960. El último satélite Echo se desorbitó y se quemó en la atmósfera el 7 de junio de 1969. [2]
El concepto de utilizar satélites orbitales para retransmitir comunicaciones es anterior a los viajes espaciales, y fue propuesto por primera vez por Arthur C. Clarke en 1945. Los experimentos que utilizaban la Luna como estación de paso pasiva y reflectora para mensajes comenzaron ya en 1946. [3] Con el lanzamiento del Sputnik 1 , el primer satélite artificial de la Tierra, en 1957, rápidamente se desarrolló el interés por los satélites de comunicaciones en órbita.
En julio de 1958, en una reunión patrocinada por la Fuerza Aérea de los EE. UU. sobre satélites de comunicaciones, el ingeniero John R. Pierce de Bell Telephone Laboratories realizó una presentación sobre retransmisión pasiva de satélites, describiendo cómo se podría utilizar un cuerpo en órbita reflectante para hacer rebotar transmisiones de un punto de la Tierra a otro. William H. Pickering , director del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL), también asistió a la conferencia y sugirió que las instalaciones del JPL, específicamente una antena de montaje polar de 26 m (85 pies) de diámetro instalada cerca del lago seco Goldstone en el desierto de Mojave , podrían usarse como una instalación terrestre para experimentos con dicho satélite. [4]
En octubre de 1958, Pierce, junto con su colega ingeniero de Bell, Rudolf Kompfner , diseñó un experimento para observar los efectos refractivos atmosféricos utilizando globos satelitales reflectantes. Creyendo que el experimento haría avanzar la investigación hacia las comunicaciones transoceánicas a través de satélites, los dos ingenieros presentaron un documento en el que abogaban por el lanzamiento de globos satelitales para su uso como reflectores de comunicaciones pasivas en el Simposio Nacional sobre Alcance Extendido y Comunicación Espacial, que se celebró los días 6 y 7 de octubre de 1958.
Ese mismo mes se formó la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) y dos meses después el JPL fue transferido del Ejército de los Estados Unidos a la nueva agencia. El Proyecto Echo, el primer proyecto de satélites de comunicaciones de la NASA, se presentó oficialmente en una reunión el 22 de enero de 1959 con representantes de la NASA, el JPL y Bell Telephone Laboratories, que fijó el lanzamiento inicial para septiembre de 1959. [5]
El Proyecto Echo fue una misión de exploración cuyo objetivo era probar nuevas tecnologías y prepararse para misiones futuras. Los ingenieros de vuelos espaciales utilizaron Echo para probar nuevas ideas y probar los límites en aerodinámica, forma y tamaño de los satélites, materiales de construcción, control de temperatura y seguimiento de satélites. [6] Echo fue diseñado como un experimento para demostrar el potencial de las comunicaciones por satélite, no para funcionar como un sistema de comunicaciones global.
Echo fue diseñado, aprobado y construido con los siguientes objetivos: [5]
Todos estos objetivos se lograron con el Proyecto Echo. En experimentos posteriores se utilizó el satélite para entablar una conversación telefónica bidireccional el 15 de agosto de 1960 y para retransmitir una transmisión televisiva en directo en abril de 1962.
Se utilizaron dos estaciones terrestres para probar el Proyecto Echo: la instalación Goldstone, ubicada en el lago seco Goldstone en el desierto de Mojave, California, y la instalación Crawford Hill, ubicada en Holmdel, Nueva Jersey. Ambos sitios utilizaban antenas separadas para transmitir y recibir. Las transmisiones de oeste a este se enviaban desde Goldstone mediante una antena parabólica de 26 m (85 pies) construida para el Proyecto Echo por el JPL. Las señales se recibían en Crawford Hill mediante una antena reflectora de bocina de 6 × 6 m (20 × 20 pies) de apertura. Se sabía que las antenas de bocina tienen propiedades de bajo ruido. Se seleccionó una frecuencia de transmisión de 2390 megahercios , ya que esta era la banda de frecuencia planificada para futuros experimentos satelitales. Las transmisiones de este a oeste se enviaron desde Crawford Hill utilizando una antena parabólica de 18 m (59 pies) de diámetro y se recibieron en Goldstone utilizando la antena existente del programa Pioneer . Se utilizó una frecuencia de transmisión de 960,05 megahercios para las comunicaciones hacia el oeste porque el receptor del JPL ya estaba sintonizado a esta frecuencia desde el programa lunar Pioneer. [5]
La adquisición y el seguimiento de los satélites se lograron mediante tres métodos: óptico, esclavo digital y radar automático. El seguimiento óptico era el método más sencillo, pero sólo podía utilizarse de noche, cuando el sol iluminaba el satélite. Se montaron telescopios de campo amplio y estrecho con una cámara de televisión en la estructura de la antena en cada sitio. Las imágenes de la cámara se mostraban a un operador servo que controlaba la posición de la antena para rastrear el satélite. Cuando no se podía utilizar el seguimiento óptico, un sistema informático llamado esclavo digital podía adquirir y rastrear a Echo. El esclavo digital funcionaba recibiendo datos de seguimiento primarios de la red de estaciones Minitrack de la NASA . A continuación, el ordenador emitía comandos de orientación de la antena para controlarla. El tercer método de seguimiento era un subsistema de radar de onda continua. El radar no era adecuado para la adquisición del satélite, pero una vez que Echo era adquirido por el esclavo óptico o digital, las señales del radar podían utilizarse para mantener el seguimiento automáticamente. [5]
Las naves espaciales Echo (Echo 1, Echo 1A y Echo 2) eran grandes esferas de piel fina que se inflaban en órbita después de salir de la atmósfera. Estos satélites globo tenían aproximadamente 30 m (98 pies) de diámetro con una piel fina hecha de Mylar (un nombre comercial para el tereftalato de polietileno estirado o BoPET), y fueron construidos por GT Schjeldahl Company de Gilmore Schjeldahl en Northfield, Minnesota . Los satélites funcionaban como un reflector, no como un transceptor; después de ser colocados en la órbita terrestre baja , las señales podían enviarse desde una estación terrestre, reflejarse en su superficie y regresar a la Tierra . [7]
Como su superficie brillante también reflejaba la luz visible, Echo era fácilmente visible a simple vista en la mayor parte de la Tierra. Los que participaron en el proyecto apodaron a la nave "satélite" (una combinación de las palabras "satélite" y "globo" ). Se utilizó para redirigir señales de teléfono , radio y televisión transcontinentales e intercontinentales. [8] Durante la última parte de su vida, se utilizó para evaluar la viabilidad técnica de la triangulación por satélite .
Echo 1 tenía 30 m (98 pies) de diámetro, una piel no rígida hecha de Mylar de 12,7 μm (0,00050 pulgadas) de espesor y una masa total de 180 kg (400 libras), con un peso de 71 kg (157 libras) en el lanzamiento. Durante las pruebas de inflado en tierra, se necesitaron 18.000 kg (40.000 libras) de aire para llenar el globo, pero mientras estaba en órbita, varios kilos de gas fueron todo lo que se necesitó para llenar la esfera. Para abordar el problema de las perforaciones de meteoritos y mantener la esfera inflada, Echo 1 incluyó un sistema de gas de compensación de 15,12 kg (33,3 libras) que utilizaba dos tipos de polvos sublimadores : 9,1 kg (20 libras) de antraquinona y 4,6 kg (10 libras) de ácido benzoico . [9] También tenía balizas de telemetría de 107,9 MHz, alimentadas por cinco baterías de níquel-cadmio que se cargaban con 70 células solares montadas en el globo. La nave espacial era útil para el cálculo de la densidad atmosférica y la presión solar , debido a su gran relación área-masa. [8] Se mantenía unido con Schjelbond, un adhesivo patentado desarrollado por la empresa Schjeldahl . [10]
Echo 2 era un satélite globo de 41,1 m (135 pies) de diámetro, el último lanzado por el Proyecto Echo. Se utilizó un sistema de inflado revisado para el globo, para mejorar su suavidad y esfericidad . La piel de Echo 2 era rigidizable, a diferencia de la de Echo 1. Por lo tanto, el globo era capaz de mantener su forma sin una presión interna constante; no se necesitaba un suministro de gas de inflado a largo plazo, y podía sobrevivir fácilmente a los impactos de micrometeoroides . El globo se construyó a partir de una película de mylar de 9 μm (0,00035 pulgadas) de espesor intercalada y unida con dos capas de papel de aluminio de 4,5 μm (0,00018 pulgadas) de espesor. [11] Se infló a una presión que provocó que las capas metálicas del laminado se deformaran plásticamente ligeramente, mientras que el polímero todavía estaba en el rango elástico. Esto dio como resultado una carcasa esférica rígida y muy suave. Un sistema de telemetría de balizas proporcionaba una señal de seguimiento, controlaba la temperatura de la superficie de la nave espacial entre −120 y +16 °C (−184 y 61 °F) y medía la presión interna de la nave espacial entre 0,00005 mm de mercurio y 0,5 mm de mercurio, especialmente durante las etapas iniciales de inflado. El sistema constaba de dos conjuntos de balizas alimentados por paneles de células solares y tenía una potencia mínima de salida de 45 mW a 136,02 MHz y 136,17 MHz. [12]
Se realizaron cinco pruebas balísticas suborbitales para determinar si los mecanismos de lanzamiento, despliegue y expansión funcionarían utilizando el vehículo de prueba Shotput, un cohete de tres etapas. [13] El primer Shotput voló a las 5:40 pm del 27 de octubre de 1959. El Shotput 1 llevó con éxito el prototipo Echo a la altitud deseada, pero una pequeña cantidad de gas residual en los pliegues del globo se expandió violentamente, haciendo estallar el artículo de prueba. La gente de toda la costa atlántica fue testigo de lo que parecían fuegos artificiales distantes cuando miles de piezas de Mylar destrozado reflejaron la luz del sol en un espectáculo que duró unos 10 minutos. [6] Se realizaron cuatro pruebas más de Shotput el 16 de enero, el 27 de febrero, el 1 de abril y el 31 de mayo de 1960. [14]
El 13 de mayo de 1960 se realizó el primer intento de poner en órbita un satélite Echo. La misión, que también fue el viaje inaugural del vehículo de lanzamiento Thor-Delta , fracasó antes de desplegar la carga útil. Echo 1 despegó del LC-17A de Cabo Cañaveral y la etapa Thor funcionó correctamente, pero durante la fase de planeo, los propulsores de control de actitud de la etapa Delta , que no había sido probada , no se encendieron, lo que envió la carga útil al océano Atlántico en lugar de a la órbita.
El 12 de agosto de 1960, Echo 1A (comúnmente conocido como Echo 1 ) fue puesto con éxito en una órbita de 944 a 1.048 mi (1.519 a 1.687 km) por otro Thor-Delta. [2] [15] Una transmisión de microondas desde la instalación JPL Goldstone en California, fue retransmitida por el satélite a Bell Laboratories en Holmdel, Nueva Jersey, ese mismo día. [8] Originalmente se esperaba que Echo 1A no sobreviviera mucho después de su cuarta inmersión en la atmósfera en julio de 1963, aunque las estimaciones permitían la posibilidad de que continuara en órbita hasta 1964 o más allá. [8] Terminó sobreviviendo mucho más tiempo de lo esperado, y finalmente reingresó a la atmósfera de la Tierra y se quemó el 24 de mayo de 1968.
El 25 de enero de 1964, Echo 2 fue lanzado a bordo de un vehículo de lanzamiento Thor Agena . Además de para experimentos de comunicaciones pasivas, se utilizó para investigar la dinámica de grandes naves espaciales y para la geodesia geométrica global . Como era más grande que Echo 1A y orbitaba en una órbita casi polar, Echo 2 era visible a simple vista desde toda la Tierra. Regresó a la atmósfera terrestre y se desintegró el 7 de junio de 1969.
Tanto Echo 1A como Echo 2 experimentaron un efecto de vela solar debido a su gran tamaño y baja masa. [16] Los satélites de comunicaciones pasivas posteriores, como OV1-08 PasComSat , resolvieron los problemas asociados con esto al utilizar un diseño de esfera de rejilla en lugar de una superficie cubierta. Más tarde, la NASA abandonó por completo los sistemas de comunicaciones pasivas, a favor de los satélites activos.
El Proyecto Echo facilitó la primera transmisión satelital exitosa y las primeras comunicaciones bidireccionales entre las instalaciones de JPL Goldstone y las instalaciones de Bell Telephone Laboratories en Holmdel, Nueva Jersey. Otros grupos participaron en experimentos, incluidos Collins Radio Company y el Laboratorio de Investigación Naval . Debido a que Echo era solo un sistema pasivo, fue principalmente útil para demostrar el potencial futuro de las comunicaciones satelitales y se volvió obsoleto antes de salir de órbita en 1968. Echo era más conocido por el público en general por su visibilidad, ya que podía verse de noche a simple vista. [5]
El programa de satélites Echo también proporcionó los puntos de referencia astronómicos necesarios para localizar con precisión Moscú . Esta precisión mejorada fue buscada por el ejército estadounidense con el propósito de apuntar misiles balísticos intercontinentales. [17]
La gran antena de bocina de Holmdel construida por Bell Labs para el proyecto Echo fue utilizada posteriormente por Arno Penzias y Robert Woodrow Wilson para su descubrimiento, ganador del Premio Nobel, de la radiación cósmica de fondo de microondas . [18]
El 15 de diciembre de 1960, la Oficina Postal de Estados Unidos emitió un sello postal con la imagen del Echo 1.
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