La nave espacial Magallanes fue una sonda espacial robótica de 1.035 kilogramos (2.282 libras) lanzada por la NASA el 4 de mayo de 1989. Sus objetivos de misión eran mapear la superficie de Venus utilizando un radar de apertura sintética y medir el campo gravitacional planetario . [2]
La sonda Magallanes fue la primera misión interplanetaria lanzada desde el transbordador espacial , la primera en utilizar el propulsor de etapa superior inercial y la primera nave espacial en probar el aerofrenado como método para circularizar su órbita. Magallanes fue la quinta misión exitosa de la NASA a Venus y puso fin a una brecha de once años en los lanzamientos de sondas interplanetarias estadounidenses.
A finales de los años 70, los científicos empezaron a abogar por una misión de cartografía por radar en Venus. Primero intentaron construir una nave espacial llamada Venus Orbiting Imaging Radar (VOIR), pero en los años siguientes quedó claro que la misión superaría las limitaciones presupuestarias. La misión VOIR se canceló en 1982.
El Comité de Exploración del Sistema Solar recomendó una propuesta simplificada de misión de radar, que fue presentada y aceptada en 1983 como el programa Venus Radar Mapper. La propuesta incluía un enfoque limitado y un único instrumento científico primario. En 1985, la misión pasó a llamarse Magallanes , en honor al explorador portugués del siglo XVI Fernando de Magallanes , conocido por su exploración, cartografía y circunnavegación de la Tierra. [3] [4] [5]
Los objetivos de la misión incluían: [6]
La nave espacial fue diseñada y construida por la compañía Martin Marietta [7] , y el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) gestionó la misión para la NASA. Elizabeth Beyer se desempeñó como directora del programa y Joseph Boyce como científico principal del programa para la sede de la NASA. Para el JPL, Douglas Griffith se desempeñó como director del proyecto Magellan y R. Stephen Saunders como científico principal del proyecto. [3] El Grupo de Comunicaciones y Espacio de la Compañía Aeronáutica Hughes diseñó y construyó el radar de apertura sintética de la nave espacial. [8]
Para ahorrar costes, la mayor parte de la sonda Magallanes se compuso de piezas de repuesto de vuelo y de elementos de diseño reutilizados de otras naves espaciales: [9]
El cuerpo principal de la nave espacial, uno de repuesto de las misiones Voyager, era un bus de aluminio de 10 lados , que contenía las computadoras, grabadoras de datos y otros subsistemas. La nave espacial medía 6,4 metros de alto y 4,6 metros de diámetro. En total, la nave espacial pesaba 3.445 kilogramos. [1]
El control de actitud (orientación) de la nave espacial fue diseñado para ser estabilizado en tres ejes, incluso durante el encendido del motor de cohete sólido Star 48B (SRM) utilizado para ponerlo en órbita alrededor de Venus. Antes de Magellan , todos los encendidos del SRM de la nave espacial habían implicado girar la nave espacial, lo que hizo que el control del SRM fuera una tarea mucho más fácil. En un modo de giro típico, cualquier fuerza no deseada relacionada con el SRM o las desalineaciones de la boquilla se cancelan. En el caso de Magellan , el diseño de la nave espacial no se prestaba al giro, por lo que el diseño del sistema de propulsión resultante tuvo que adaptarse a los desafiantes problemas de control con el gran SRM Star 48B. El Star 48B, que contiene 2014 kg de propulsante sólido, desarrolló un empuje de ~89 kN (20 000 lbf) poco después del encendido; por lo tanto, incluso un error de alineación del SRM del 0,5 % podría generar fuerzas laterales de 445 N (100 lbf). Las estimaciones conservadoras finales de las fuerzas laterales en el peor de los casos dieron como resultado la necesidad de ocho propulsores de 445 N, dos en cada cuadrante, ubicados en brazos en el radio máximo que la bahía de carga útil del transbordador espacial podría acomodar (4,4 m o 14,5 pies de diámetro). [ cita requerida ]
El diseño del sistema de propulsión real consistió en un total de 24 propulsores monopropelentes de hidracina alimentados desde un solo tanque de titanio de 71 cm (28 pulgadas) de diámetro. El tanque contenía 133 kg (293 lb) de hidracina purificada. El diseño también incluía un tanque externo de alta presión aislado pirotécnicamente con helio adicional que podría conectarse al tanque principal antes de la quema crítica de inserción en la órbita de Venus para asegurar el máximo empuje de los propulsores de 445 N durante el encendido del SRM. Otro hardware relacionado con la orientación de la nave espacial consiste en un conjunto de giroscopios y un escáner de estrellas . [4] [5] [10] [11]
Para las comunicaciones, la nave espacial incluía una antena ligera de grafito/aluminio de alta ganancia de 3,7 metros que quedó del Programa Voyager y una antena de ganancia media de repuesto de la misión Mariner 9. También se incluyó una antena de baja ganancia unida a la antena de alta ganancia para contingencias. Al comunicarse con la Red de Espacio Profundo , la nave espacial pudo recibir simultáneamente comandos a 1,2 kilobits /segundo en la banda S y transmitir datos a 268,8 kilobits/segundo en la banda X. [4] [5] [10] [11]
La Magallanes funcionaba con dos paneles solares cuadrados , cada uno de 2,5 metros de diámetro. En conjunto, los paneles suministraban 1.200 vatios de energía al comienzo de la misión. Sin embargo, a lo largo de la misión, los paneles solares se degradaron gradualmente debido a los frecuentes y extremos cambios de temperatura. Para alimentar la nave espacial mientras estaba oculta del Sol, se incluyeron baterías gemelas de níquel-cadmio de 30 amperios-hora y 26 celdas . Las baterías se recargaban cuando la nave espacial recibía luz solar directa. [4] [10]
El sistema informático de la nave espacial estaba formado en parte por equipos modificados del Galileo . Había dos ordenadores ATAC-16 que formaban un sistema redundante, ubicados en el subsistema de control de actitud, y cuatro microprocesadores RCA 1802 , como dos sistemas redundantes, para controlar el subsistema de mando y datos (CDS). El CDS podía almacenar comandos durante hasta tres días, y también controlar de forma autónoma la nave espacial si surgían problemas mientras los operadores de la misión no estuvieran en contacto con la nave espacial. [9]
Para almacenar los comandos y los datos grabados, la nave espacial también incluía dos grabadoras digitales multipista , capaces de almacenar hasta 225 megabytes de datos hasta que se restableciera el contacto con la Tierra y se reprodujeran las cintas. [4] [10] [11]
La atmósfera de Venus, espesa y opaca, requería un método que fuera más allá del estudio óptico para mapear la superficie del planeta. La resolución del radar convencional depende completamente del tamaño de la antena, que está muy restringida por los costos, las limitaciones físicas de los vehículos de lanzamiento y la complejidad de maniobrar un aparato grande para proporcionar datos de alta resolución. Magellan abordó este problema utilizando un método conocido como apertura sintética , donde se imita una antena grande procesando la información recopilada por computadoras terrestres. [12] [13]
La antena parabólica de alta ganancia de Magellan , orientada 28°–78° a la derecha o izquierda del nadir , emitió miles de pulsos de microondas por segundo que atravesaron las nubes y llegaron a la superficie de Venus, iluminando una franja de tierra. El sistema de radar registró entonces el brillo de cada pulso a medida que se reflejaba en las superficies laterales de rocas, acantilados, volcanes y otras características geológicas, como una forma de retrodispersión . Para aumentar la resolución de la imagen, Magellan registró una serie de ráfagas de datos para una ubicación particular durante múltiples instancias llamadas "miradas". Cada "mirada" se superponía ligeramente a la anterior, devolviendo información ligeramente diferente para la misma ubicación, a medida que la nave espacial se movía en órbita. Después de transmitir los datos a la Tierra, se utilizó el modelado Doppler para tomar las "miradas" superpuestas y combinarlas en una imagen continua de alta resolución de la superficie. [12] [13] [14]
El sistema de radar funcionaba en tres modos: radar de apertura sintética (SAR), altimetría (ALT) y radiometría (RAD). El instrumento funcionaba en ciclos entre los tres modos mientras observaba la geología de la superficie, la topografía y la temperatura de Venus utilizando la antena parabólica de alta ganancia de 3,7 metros y una pequeña antena de haz en abanico , ubicada justo al costado.
– En el modo de radar de apertura sintética , el instrumento transmitió varios miles de pulsos de microondas de onda larga de 12,6 centímetros cada segundo a través de la antena de alta ganancia, mientras medía el efecto Doppler de cada uno de ellos al impactar la superficie. – En el modo de altimetría , el instrumento intercaló pulsos con el SAR y, operando de manera similar con la antena altimétrica, registró información sobre la elevación de la superficie de Venus. – En el modo de radiometría , la antena de alta ganancia se utilizó para registrar emisiones radiotérmicas de microondas de Venus. Estos datos se utilizaron para caracterizar la temperatura de la superficie.
Los datos fueron recogidos a 750 kilobits/segundo por la grabadora y luego transmitidos a la Tierra (10 Bit por segundo*365*4*24*60=21Mbit (máximo) = 85Foto (máximo)) para ser procesados en imágenes utilizables, por el Subsistema de Procesamiento de Datos de Radar (RDPS), una colección de computadoras terrestres operadas por el JPL. [12] [15] [16] [17]
Además de los datos de radar, Magellan recopiló otros tipos de mediciones científicas, entre ellas mediciones detalladas del campo gravitacional de Venus, [18] mediciones de la densidad atmosférica y datos de ocultación de radio sobre el perfil atmosférico.
El Magallanes fue lanzado el 4 de mayo de 1989 a las 18:46:59 UTC por la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio desde el complejo de lanzamiento KSC 39B en el Centro Espacial Kennedy en Florida, a bordo del transbordador espacial Atlantis durante la misión STS-30 . Una vez en órbita, el Magallanes y su etapa superior inercial adjunta fueron desplegados desde el Atlantis y lanzados el 5 de mayo de 1989 a las 01:06:00 UTC, enviando la nave espacial a una órbita heliocéntrica de Tipo IV donde daría 1,5 vueltas alrededor del Sol , antes de llegar a Venus 15 meses después, el 10 de agosto de 1990. [5] [10] [11]
Originalmente, el lanzamiento del Magallanes estaba previsto para 1988 con una trayectoria de seis meses de duración. Sin embargo, debido al desastre del transbordador espacial Challenger en 1986, varias misiones, incluidas Galileo y Magallanes , se aplazaron hasta que se reanudaron los vuelos del transbordador en septiembre de 1988. El lanzamiento del Magallanes estaba previsto con un propulsor de etapa superior Centaur G alimentado con combustible líquido , transportado en la bodega de carga del transbordador espacial. Sin embargo, todo el programa Centaur G se canceló después del desastre del Challenger , y la sonda Magallanes tuvo que ser modificada para ser acoplada a la etapa superior inercial, menos potente . La siguiente mejor oportunidad para el lanzamiento se produjo en octubre de 1989. [5] [10]
Sin embargo, el lanzamiento se complicó aún más con el lanzamiento de la misión Galileo a Júpiter, que incluía un sobrevuelo de Venus. La presión para garantizar un lanzamiento de Galileo en 1989, combinada con una ventana de lanzamiento corta que requería un lanzamiento a mediados de octubre, hizo que se reprogramara la misión Magallanes . Recelosos de los lanzamientos rápidos de transbordadores, se tomó la decisión de lanzar Magallanes en mayo y a una órbita que requeriría un año y tres meses antes de encontrarse con Venus. [5] [10]
El 10 de agosto de 1990, Magallanes se encontró con Venus y comenzó la maniobra de inserción orbital que colocó la nave espacial en una órbita elíptica de tres horas y nueve minutos que llevó a la nave espacial a 295 kilómetros de la superficie a unos 10 grados norte durante el periapsis y a 7762 kilómetros durante el apoapsis . [10] [11]
Durante cada órbita, la sonda espacial capturó datos de radar mientras la nave espacial estaba más cerca de la superficie, y luego los transmitió de vuelta a la Tierra mientras se alejaba de Venus. Esta maniobra requirió un uso extensivo de las ruedas de reacción para rotar la nave espacial mientras tomaba imágenes de la superficie durante 37 minutos y mientras apuntaba hacia la Tierra durante dos horas. La misión principal pretendía que la nave espacial devolviera imágenes de al menos el 70 por ciento de la superficie durante un día venusiano, que dura 243 días terrestres mientras el planeta gira lentamente. Para evitar datos excesivamente redundantes en las latitudes más altas y más bajas, la sonda Magallanes alternó entre una franja norte , una región designada como 90 grados de latitud norte a 54 grados de latitud sur, y una franja sur , designada como 76 grados de latitud norte a 68 grados de latitud sur. Sin embargo, debido a que el periapsis está 10 grados al norte de la línea ecuatorial, era poco probable obtener imágenes de la región del Polo Sur. [10] [11]
La misión principal comenzó el 15 de septiembre de 1990, con la intención de proporcionar un mapa "a la izquierda" del 70% de la superficie de Venus con una resolución mínima de 1 kilómetro/ píxel . Durante el ciclo 1, la altitud de la nave espacial varió de 2000 kilómetros en el polo norte a 290 kilómetros cerca del periapsis. Al finalizar, el 15 de mayo de 1991, después de haber realizado 1792 órbitas, Magellan había cartografiado aproximadamente el 83,7% de la superficie con una resolución de entre 101 y 250 metros/píxel. [11] [20]
El ciclo 2, que comenzó inmediatamente después de finalizar el primer ciclo, tenía como objetivo proporcionar datos para los espacios vacíos existentes en el mapa recopilado durante el primer ciclo, incluida una gran parte del hemisferio sur. Para ello, hubo que reorientar el Magallanes , cambiando el método de recopilación a "mirando hacia la derecha". Al finalizar, a mediados de enero de 1992, el ciclo 2 proporcionó datos para el 54,5% de la superficie y, combinado con el ciclo anterior, se pudo construir un mapa que contenía el 96% de la superficie. [11] [20]
Inmediatamente después del segundo ciclo, el tercer ciclo comenzó a recopilar datos para imágenes estereoscópicas de la superficie que luego permitirían al equipo de tierra construir representaciones tridimensionales claras de la superficie. Aproximadamente el 21,3% de la superficie fue fotografiada en estéreo al final del ciclo el 13 de septiembre de 1992, lo que aumentó la cobertura general de la superficie al 98%. [11] [20]
Al completar el ciclo 3, el Magallanes dejó de tomar imágenes de la superficie. En su lugar, a partir de mediados de septiembre de 1992, el Magallanes mantuvo la orientación de la antena de alta ganancia hacia la Tierra, donde la Red de Espacio Profundo comenzó a registrar un flujo constante de telemetría. Esta señal constante permitió a la DSN recopilar información sobre el campo gravitatorio de Venus mediante el seguimiento de la velocidad de la nave espacial. Las áreas de mayor gravitación aumentarían ligeramente la velocidad de la nave espacial, registrándose como un desplazamiento Doppler en la señal. La nave espacial completó 1.878 órbitas hasta completar el ciclo el 23 de mayo de 1993; una pérdida de datos al comienzo del ciclo requirió 10 días adicionales de estudio gravitacional. [11] [20]
Al final del cuarto ciclo, en mayo de 1993, la órbita de Magallanes se circularizó utilizando una técnica conocida como aerofrenado . La órbita circularizada permitió obtener una resolución mucho mayor de datos gravimétricos cuando comenzó el ciclo 5 el 3 de agosto de 1993. La nave espacial realizó 2.855 órbitas y proporcionó datos gravimétricos de alta resolución para el 94% del planeta, antes del final del ciclo el 29 de agosto de 1994. [4] [5] [11] [20]
Durante mucho tiempo se había buscado el frenado aerodinámico como método para reducir la velocidad de las órbitas de las naves espaciales interplanetarias. Las sugerencias anteriores incluían la necesidad de aerocapas que resultaron demasiado complicadas y costosas para la mayoría de las misiones. Al probar un nuevo enfoque del método, se ideó un plan para dejar caer la órbita de Magallanes en la región más externa de la atmósfera de Venus . Una ligera fricción en la nave espacial redujo la velocidad durante un período, ligeramente superior a dos meses, llevando la nave espacial a una órbita aproximadamente circular con una altitud de periapse de 180 km y una altitud de apoapse de 540 km, por debajo de una altitud de apoapse de 8467 km. [22] Desde entonces, el método se ha utilizado ampliamente en misiones interplanetarias posteriores. [11] [20]
El sexto y último ciclo orbital fue otra extensión de los dos estudios gravimétricos anteriores. Hacia el final del ciclo se llevó a cabo un experimento final, conocido como el experimento "Molino de viento", para proporcionar datos sobre la composición de la atmósfera superior de Venus. Magallanes realizó 1.783 órbitas antes del final del ciclo el 13 de octubre de 1994, cuando la nave espacial entró en la atmósfera y se desintegró. [11]
En septiembre de 1994, se redujo la órbita de Magallanes para comenzar el "experimento del molino de viento". Durante el experimento, la nave espacial se orientó con los paneles solares en forma perpendicular a la trayectoria orbital, donde podían actuar como paletas al impactar las moléculas de la atmósfera superior de Venus. Para contrarrestar esta fuerza, se activaron los propulsores para evitar que la nave espacial girara. Esto proporcionó datos sobre la interacción básica del gas oxígeno con la superficie. Esto fue útil para comprender el impacto de las fuerzas de la atmósfera superior, lo que ayudó a diseñar futuros satélites en órbita terrestre y métodos para el frenado aerodinámico durante futuras misiones espaciales planetarias. [20] [23] [24]
Magellan creó el primer (y actualmente el mejor) mapa de radar de alta resolución y calidad casi fotográfica de las características de la superficie del planeta. Las misiones anteriores a Venus habían creado globos de radar de baja resolución de formaciones generales del tamaño de un continente. Magellan , sin embargo, finalmente permitió obtener imágenes y análisis detallados de cráteres, colinas, crestas y otras formaciones geológicas, en un grado comparable al mapeo fotográfico en luz visible de otros planetas. El mapa de radar global de Magellan actualmente sigue siendo el mapa de Venus más detallado que existe, aunque las próximas sondas VERITAS de la NASA y Venera-D de Roskosmos llevarán un radar que puede lograr una resolución mucho mayor en comparación con el radar utilizado por Magellan . Se espera que ambas sondas se lancen en 2029.
Medios relacionados con las imágenes del radar Magellan en Wikimedia CommonsEl proyecto Magallanes se creó de modo que las imágenes y los datos iniciales de la sonda Magallanes fueran solo para uso y estudio de un equipo de investigadores principales de diversas universidades e instituciones, y del Equipo Científico del Proyecto Magallanes . Estos científicos fueron responsables de validar los datos, contribuir con información para la adquisición de datos por parte de la nave espacial e interpretar los resultados de los datos para su divulgación al público. Los datos se compartieron con tres científicos soviéticos visitantes (Alexander Basilevsky, Effaim Akim y Alexander Zacharov), una cuestión delicada para la NASA en ese momento, considerando que la Guerra Fría estaba llegando a su fin.
La sala de ciencias del Proyecto Magallanes se hizo famosa por las largas tiras de datos de imágenes impresas térmicamente (FBIDR) que colgaban a lo largo de las paredes de una espaciosa sala. Esta fue la primera forma en que se vieron imágenes de la superficie de Venus debido a las franjas largas y estrechas que adquirió la nave espacial. Entre los invitados importantes durante la operación de la misión se encontraba Margaret Thatcher .
Después de la etapa de investigación inicial, el conjunto completo de datos de Magellan fue publicado para consumo público.
El equipo científico del Proyecto Magallanes estuvo integrado por el Dr. R. Stephen Saunders, científico del proyecto; la Dra. Ellen Stofan , científica adjunta del proyecto; los asistentes de investigación Tim Parker, el Dr. Jeff Plaut y Annette deCharon; y el asistente científico del proyecto, Gregory Michaels.
Otros científicos de Magallanes participaron en la ciencia de la misión, incluidos investigadores principales y tres científicos soviéticos visitantes.
El 9 de septiembre de 1994, un comunicado de prensa anunció la finalización de la misión Magallanes . Debido a la degradación de la potencia de salida de los paneles solares y los componentes de a bordo, y tras haber completado todos los objetivos con éxito, la misión debía finalizar a mediados de octubre. La secuencia de finalización comenzó a fines de agosto de 1994, con una serie de maniobras de ajuste orbital que bajaron la nave espacial a las capas más externas de la atmósfera venusiana para permitir que el experimento Windmill comenzara el 6 de septiembre de 1994. El experimento duró dos semanas y fue seguido por posteriores maniobras de ajuste orbital, reduciendo aún más la altitud de la nave espacial para la fase de finalización final. [23]
El 11 de octubre de 1994, a una velocidad de 7 kilómetros por segundo, se realizó la maniobra final de ajuste orbital, que situó a la nave espacial a 139,7 kilómetros por encima de la superficie, dentro de la atmósfera. A esta altitud, la nave espacial encontró suficiente presión de impacto para elevar las temperaturas de los paneles solares a 126 grados Celsius. [19] [25]
El 13 de octubre de 1994, a las 10:05:00 UTC, se perdió la comunicación cuando la nave espacial entró en ocultación por radio detrás de Venus. El equipo continuó escuchando otra señal de la nave espacial hasta las 18:00:00 UTC, cuando se determinó que la misión había concluido. Aunque se esperaba que gran parte de Magallanes se vaporizara debido a las tensiones atmosféricas, se cree que una parte de los restos alcanzó la superficie a las 20:00:00 UTC. [19] [20]
La comunicación con la nave espacial Magallanes se perdió la madrugada del miércoles, tras una serie agresiva de cinco maniobras de ajuste de órbita (OTM) el martes 11 de octubre, que llevaron la nave a la atmósfera superior de Venus. Se esperaba que el diseño del experimento de terminación (extensión del experimento "Windmill" de septiembre) resultara en la pérdida final de la nave espacial debido a un margen de potencia negativo. Esto no fue un problema ya que la potencia de la nave espacial habría sido demasiado baja para sostener las operaciones en las próximas semanas debido a la pérdida continua de células solares.
Por lo tanto, se diseñó un experimento final controlado para maximizar el retorno de la misión. Esta última altitud baja fue necesaria para estudiar los efectos de una atmósfera de dióxido de carbono.
El último OTM llevó el periapsis a 139,7 km (86,8 mi), donde la resistencia sensible sobre la nave espacial era muy evidente. Las temperaturas del panel solar aumentaron a 126 grados C y el sistema de control de actitud activó todos los propulsores del eje Y disponibles para contrarrestar los pares. Sin embargo, el control de actitud se mantuvo hasta el final.
El voltaje del bus principal cayó a 24,7 voltios después de cinco órbitas, y se predijo que el control de actitud se perdería si la energía caía por debajo de los 24 voltios. Se decidió mejorar el experimento Windmill cambiando los ángulos del panel para las órbitas restantes. Esta también era una opción experimental planificada de antemano.
En ese momento, se esperaba que la nave espacial sólo sobreviviera dos órbitas.
Magellan siguió manteniendo la comunicación durante tres órbitas más, aunque la energía siguió cayendo por debajo de los 23 voltios y finalmente llegó a los 20,4 voltios. En ese momento, una batería se desconectó y la nave espacial se consideró sin energía.
La comunicación se perdió a las 3:02 am PDT justo cuando Magellan estaba a punto de entrar en una ocultación terrestre en la órbita 15032. No se restableció el contacto. Las operaciones de seguimiento continuaron hasta las 11:00 am pero no se vio ninguna señal, y no se esperaba ninguna. La nave espacial debería aterrizar en Venus a la 1:00 pm PDT del jueves 13 de octubre de 1994.
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