Deep Space 1 ( DS1 ) fue una nave espacial de demostración de tecnología de la NASA que pasó cerca de un asteroide y un cometa . Era parte del Programa Nuevo Milenio , dedicado a probar tecnologías avanzadas.
Lanzada el 24 de octubre de 1998, la nave espacial Deep Space 1 sobrevoló el asteroide 9969 Braille , que era su principal objetivo científico. La misión se amplió dos veces para incluir un encuentro con el cometa 19P/Borrelly y más pruebas de ingeniería. Los problemas durante sus etapas iniciales y con su rastreador de estrellas llevaron a repetidos cambios en la configuración de la misión. Si bien el sobrevuelo del asteroide fue sólo un éxito parcial, el encuentro con el cometa aportó información valiosa.
La serie Deep Space fue continuada por las sondas Deep Space 2 , que se lanzaron en enero de 1999 a cuestas en el Mars Polar Lander y estaban destinadas a impactar la superficie de Marte (aunque se perdió el contacto y la misión fracasó). Deep Space 1 fue la primera nave espacial de la NASA en utilizar propulsión iónica en lugar de los tradicionales cohetes de propulsión química. [3]
El propósito de Deep Space 1 era el desarrollo y validación de tecnología para futuras misiones; Se probaron 12 tecnologías: [4]
El sistema Autonav, desarrollado por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, toma imágenes de asteroides brillantes conocidos . Los asteroides del Sistema Solar interior se mueven en relación con otros cuerpos a una velocidad notable y predecible. Por lo tanto, una nave espacial puede determinar su posición relativa rastreando dichos asteroides a través del fondo estelar, que parece fijo en tales escalas de tiempo. Dos o más asteroides permiten a la nave espacial triangular su posición; dos o más posiciones en el tiempo permiten que la nave espacial determine su trayectoria. Las naves espaciales existentes son rastreadas por sus interacciones con los transmisores de la Red de Espacio Profundo (DSN) de la NASA , en realidad un GPS inverso . Sin embargo, el seguimiento de DSN requiere muchos operadores capacitados y el DSN está sobrecargado por su uso como red de comunicaciones. El uso de Autonav reduce el costo de la misión y las demandas de DSN.
El sistema Autonav también se puede utilizar a la inversa, rastreando la posición de los cuerpos en relación con la nave espacial. Esto se utiliza para adquirir objetivos para los instrumentos científicos. La nave espacial está programada con la ubicación aproximada del objetivo. Después de la adquisición inicial, Autonav mantiene al sujeto encuadrado, incluso controlando el control de actitud de la nave espacial. [5] La siguiente nave espacial en utilizar Autonav fue Deep Impact .
La energía primaria para la misión fue producida por una nueva tecnología de paneles solares, el Solar Concentrator Array with Refractive Linear Element Technology (SCARLET), que utiliza lentes lineales de Fresnel hechas de silicona para concentrar la luz solar en células solares. [6] ABLE Engineering desarrolló la tecnología de concentración y construyó el panel solar para DS1, con Entech Inc, que suministró la óptica Fresnel, y el Centro de Investigación Glenn de la NASA . La actividad fue patrocinada por la Organización de Defensa contra Misiles Balísticos, desarrollada originalmente para la carga útil SSI - Conestoga 1620, METEOR. La tecnología de lentes de concentración se combinó con células solares de doble unión, que tenían un rendimiento considerablemente mejor que las células solares de GaAs que eran lo más moderno en el momento del lanzamiento de la misión.
Los conjuntos SCARLET generaron 2,5 kilovatios a 1 AU, con menos tamaño y peso que los conjuntos convencionales.
Aunque la NASA había desarrollado motores de iones desde finales del decenio de 1950, con excepción de las misiones SERT del decenio de 1960, la tecnología no se había demostrado en vuelo en naves espaciales estadounidenses, aunque se habían utilizado cientos de motores de efecto Hall en aviones soviéticos y rusos. Nave espacial rusa. Esta falta de un historial de desempeño en el espacio significó que, a pesar de los posibles ahorros en masa de propulsor, la tecnología se consideraba demasiado experimental para ser utilizada en misiones de alto costo. Además, los efectos secundarios imprevistos de la propulsión iónica podrían interferir de alguna manera con los experimentos científicos típicos, como las mediciones de campos y partículas. Por lo tanto, una de las misiones principales de la demostración de Deep Space 1 fue mostrar el uso de larga duración de un propulsor de iones en una misión científica. [7]
El propulsor de iones electrostáticos de preparación para la aplicación de tecnología solar (NSTAR) de la NASA , desarrollado en la NASA Glenn, alcanza un impulso específico de 1000 a 3000 segundos. Esto es un orden de magnitud mayor que los métodos tradicionales de propulsión espacial, lo que resulta en un ahorro de masa de aproximadamente la mitad. Esto conduce a vehículos de lanzamiento mucho más baratos. Aunque el motor produce sólo 92 milinewtons (0,33 oz f ) de empuje a potencia máxima (2100 W en DS1), la nave alcanzó altas velocidades porque los motores de iones empujaban continuamente durante largos períodos. [7]
La siguiente nave espacial en utilizar motores NSTAR fue Dawn , con tres unidades redundantes. [8]
Remote Agent (RAX), un software de autorreparación inteligente remoto desarrollado en el Centro de Investigación Ames de la NASA y el Laboratorio de Propulsión a Chorro, fue el primer sistema de control de inteligencia artificial que controló una nave espacial sin supervisión humana. [9] Remote Agent demostró con éxito la capacidad de planificar actividades a bordo y diagnosticar y responder correctamente a fallas simuladas en componentes de la nave espacial a través de su entorno REPL incorporado. [10] El control autónomo permitirá que las futuras naves espaciales operen a mayores distancias de la Tierra y lleven a cabo actividades de recopilación de ciencia más sofisticadas en el espacio profundo. Los componentes del software Remote Agent se han utilizado para respaldar otras misiones de la NASA. Los componentes principales de Remote Agent fueron un planificador robusto (EUROPA), un sistema de ejecución de planes (EXEC) y un sistema de diagnóstico basado en modelos (Livingstone). [10] EUROPA se utilizó como planificador terrestre para los Mars Exploration Rovers . EUROPA II se utilizó como apoyo al módulo de aterrizaje Phoenix Mars y al Mars Science Laboratory . Livingstone2 voló como experimento a bordo del Earth Observing-1 y en un F/A-18 Hornet en el Centro de Investigación de Vuelo Dryden de la NASA .
Otro método para reducir la carga de DSN es el experimento Beacon Monitor . Durante los largos períodos de crucero de la misión, las operaciones de las naves espaciales prácticamente se suspenden. En lugar de datos, Deep Space 1 transmitió una señal portadora en una frecuencia predeterminada. Sin decodificación de datos, la portadora podría ser detectada mediante antenas y receptores terrestres mucho más simples. Si DS1 detectaba una anomalía, cambiaba la portadora entre cuatro tonos, según la urgencia. Luego, los receptores terrestres envían señales a los operadores para que desvíen los recursos DSN. Esto impidió que operadores calificados y hardware costoso cuidaran una misión sin cargas que operaba nominalmente. Se utilizó un sistema similar en la sonda New Horizons Plutón para mantener bajos los costos durante su viaje de diez años desde Júpiter a Plutón.
El pequeño transpondedor de espacio profundo (SDST) es un sistema de radiocomunicaciones compacto y liviano. Además de utilizar componentes miniaturizados, el SDST es capaz de comunicarse a través de la banda K a . Debido a que esta banda tiene una frecuencia más alta que las bandas que se utilizan actualmente en las misiones al espacio profundo, equipos más pequeños en el espacio y en tierra pueden enviar la misma cantidad de datos. Por el contrario, las antenas DSN existentes pueden dividir el tiempo entre más misiones. En el momento del lanzamiento, el DSN tenía una pequeña cantidad de receptores K a instalados con carácter experimental; Las operaciones y misiones de K a están aumentando.
El SDST se utilizó posteriormente en otras misiones espaciales, como el Mars Science Laboratory (el rover Curiosity de Marte ). [11]
Una vez en un objetivo, DS1 detecta el entorno de las partículas con el instrumento PEPE (Experimento de plasma para exploración planetaria). Este instrumento midió el flujo de iones y electrones en función de su energía y dirección. La composición de los iones se determinó utilizando un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo .
El instrumento MICAS (cámara y espectrómetro integrados en miniatura ) combinó imágenes de luz visible con espectroscopía infrarroja y ultravioleta para determinar la composición química. Todos los canales comparten un telescopio de 10 cm (3,9 pulgadas), que utiliza un espejo de carburo de silicio .
Tanto PEPE como MICAS tenían capacidades similares a instrumentos o conjuntos de instrumentos más grandes de otras naves espaciales. Fueron diseñados para ser más pequeños y requerir menos potencia que los utilizados en misiones anteriores.
Antes del lanzamiento, Deep Space 1 tenía previsto visitar el cometa 76P/West–Kohoutek–Ikemura y el asteroide 3352 McAuliffe . [12] Debido al retraso en el lanzamiento, los objetivos se cambiaron al asteroide 9969 Braille (en ese momento llamado 1992 KD) y al cometa 19P/Borrelly , y se añadió el cometa 107P/Wilson-Harrington tras el éxito inicial de la misión. [13] Logró un sobrevuelo deficiente de Braille y, debido a problemas con el rastreador de estrellas, abandonó el objetivo Wilson-Harrington para mantener su sobrevuelo del cometa 19P/Borrelly , que fue exitoso. [13] Se consideró un sobrevuelo del asteroide 1999 KK1 en agosto de 2002 como otra misión extendida, pero finalmente no se avanzó debido a preocupaciones de costos. [14] [15] Durante la misión, también se tomaron espectros infrarrojos de alta calidad de Marte . [13] [16]
El motor de propulsión iónica falló inicialmente después de 4,5 minutos de funcionamiento. Sin embargo, más tarde volvió a funcionar y funcionó de manera excelente. Al principio de la misión, el material expulsado durante la separación del vehículo de lanzamiento provocó un cortocircuito en las rejillas de extracción de iones estrechamente espaciadas. La contaminación finalmente se eliminó, ya que el material fue erosionado por arcos eléctricos, sublimado por desgasificación o simplemente dejado flotar. Esto se logró reiniciando repetidamente el motor en modo de reparación de motor, formando un arco sobre el material atrapado. [17]
Se pensaba que el escape del motor de iones podría interferir con otros sistemas de la nave espacial, como las comunicaciones por radio o los instrumentos científicos. Los detectores PEPE tenían una función secundaria para monitorear dichos efectos desde el motor. No se encontró interferencia, aunque el flujo de iones del propulsor impidió que PEPE observara iones por debajo de aproximadamente 20 eV.
Otro fracaso fue la pérdida del rastreador de estrellas . El rastreador de estrellas determina la orientación de la nave espacial comparando el campo estelar con sus mapas internos. La misión se salvó cuando la cámara MICAS fue reprogramada para sustituir al rastreador de estrellas. Aunque MICAS es más sensible, su campo de visión es un orden de magnitud menor, lo que genera una mayor carga de procesamiento de información. Irónicamente, el rastreador de estrellas era un componente disponible en el mercado y se esperaba que fuera muy confiable. [13]
Sin un rastreador de estrellas que funcione, el empuje de iones se suspendió temporalmente. La pérdida de tiempo de empuje obligó a cancelar un sobrevuelo más allá del cometa 107P/Wilson-Harrington .
El sistema Autonav requirió correcciones manuales ocasionales. La mayoría de los problemas se debían a la identificación de objetos que eran demasiado tenues o que eran difíciles de identificar debido a que los objetos más brillantes provocaban picos de difracción y reflejos en la cámara, lo que provocaba que Autonav identificara erróneamente los objetivos.
Al sistema Remote Agent se le presentaron tres fallas simuladas en la nave espacial y manejó correctamente cada evento.
En general, esto constituyó una demostración exitosa de planificación, diagnóstico y recuperación totalmente autónomos.
El instrumento MICAS fue un éxito de diseño, pero el canal ultravioleta falló debido a una falla eléctrica. Más adelante en la misión, después del fallo del rastreador de estrellas, MICAS asumió también esta tarea. Esto provocó continuas interrupciones en su uso científico durante el resto de la misión, incluido el encuentro con el cometa Borrelly. [18]
El sobrevuelo del asteroide 9969 Braille fue sólo un éxito parcial. Deep Space 1 estaba destinado a realizar el sobrevuelo a 56.000 km/h (35.000 mph) a sólo 240 m (790 pies) del asteroide. Debido a dificultades técnicas, incluido un fallo del software poco antes de la aproximación, la nave pasó por Braille a una distancia de 26 km (16 millas). Esto, sumado al menor albedo de Braille , significó que el asteroide no era lo suficientemente brillante como para que el Autonav enfocara la cámara en la dirección correcta, y la toma de fotografías se retrasó casi una hora. [13] Las imágenes resultantes eran decepcionantemente confusas.
Sin embargo, el sobrevuelo del cometa Borrelly fue un gran éxito y arrojó imágenes extremadamente detalladas de la superficie del cometa. Estas imágenes tenían una resolución más alta que las únicas fotografías anteriores de un cometa: el cometa Halley , tomadas por la nave espacial Giotto . El instrumento PEPE informó que la interacción del viento solar del cometa estaba compensada por el núcleo. Se cree que esto se debe a la emisión de chorros que no estaban distribuidos uniformemente por la superficie del cometa.
A pesar de no tener escudos contra desechos, la nave espacial sobrevivió intacta al paso del cometa. Una vez más, los escasos chorros del cometa no parecían apuntar hacia la nave espacial. Luego, Deep Space 1 entró en su segunda fase de misión extendida, centrada en volver a probar las tecnologías de hardware de la nave espacial. El foco de esta fase de la misión estuvo en los sistemas de motores de iones. La nave espacial finalmente se quedó sin combustible de hidracina para sus propulsores de control de actitud. Al propulsor de iones altamente eficiente le quedaba suficiente cantidad de propulsor para realizar el control de actitud además de la propulsión principal, lo que permitió que la misión continuara. [18]
A finales de octubre y principios de noviembre de 1999, durante la fase costera posterior al encuentro Braille de la nave espacial, Deep Space 1 observó Marte con su instrumento MICAS. Aunque se trataba de un sobrevuelo muy distante, el instrumento logró tomar múltiples espectros infrarrojos del planeta. [13] [16]
Deep Space 1 logró sus objetivos primarios y secundarios y devolvió imágenes y datos científicos valiosos. Los motores de iones del DS1 se apagaron el 18 de diciembre de 2001 aproximadamente a las 20:00:00 UTC, lo que marcó el final de la misión. Las comunicaciones a bordo debían permanecer en modo activo en caso de que la nave fuera necesaria en el futuro. Sin embargo, los intentos de reanudar el contacto en marzo de 2002 fueron infructuosos. [18] Permanece dentro del Sistema Solar, en órbita alrededor del Sol. [2]
