Deep Space 1 ( DS1 ) fue una nave espacial de demostración de tecnología de la NASA que sobrevoló un asteroide y un cometa . Formaba parte del Programa Nuevo Milenio , dedicado a probar tecnologías avanzadas.
La sonda Deep Space 1 , lanzada el 24 de octubre de 1998, sobrevoló el asteroide 9969 Braille , que era su principal objetivo científico. La misión se prolongó dos veces para incluir un encuentro con el cometa 19P/Borrelly y más pruebas de ingeniería. Los problemas durante las etapas iniciales y con su rastreador de estrellas llevaron a cambios repetidos en la configuración de la misión. Si bien el sobrevuelo del asteroide fue solo un éxito parcial, el encuentro con el cometa permitió recuperar información valiosa.
La serie Deep Space continuó con las sondas Deep Space 2 , que se lanzaron en enero de 1999 a bordo del módulo de aterrizaje polar de Marte y que tenían como objetivo alcanzar la superficie de Marte (aunque se perdió el contacto y la misión fracasó). Deep Space 1 fue la primera nave espacial de la NASA que utilizó propulsión iónica en lugar de los cohetes tradicionales de propulsión química. [3]
El objetivo de Deep Space 1 fue 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. De este modo, una nave espacial puede determinar su posición relativa rastreando dichos asteroides a través del fondo estelar, que parece fijo en esas escalas de tiempo. Dos o más asteroides permiten a la nave espacial triangular su posición; dos o más posiciones en el tiempo permiten a la nave espacial determinar 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 efecto un GPS inverso . Sin embargo, el seguimiento DSN requiere muchos operadores capacitados, y la DSN está sobrecargada 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 en sentido inverso, 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 en el marco, incluso controlando el control de actitud de la nave espacial. [5] La siguiente nave espacial que utilizó 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 Fresnel lineales hechas de silicona para concentrar la luz solar en las 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 de Misiles Balísticos, desarrollada originalmente para la carga útil SSI - Conestoga 1620, METEOR. La tecnología de lentes concentradoras se combinó con células solares de doble unión, que tenían un rendimiento considerablemente mejor que las células solares de GaAs que eran el estado del arte en el momento del lanzamiento de la misión.
Los paneles SCARLET generaron 2,5 kilovatios a 1 AU, con menos tamaño y peso que los paneles convencionales.
Aunque los motores iónicos se habían desarrollado en la NASA desde finales de la década de 1950, con la excepción de las misiones SERT en la década de 1960, la tecnología no se había demostrado en vuelo en naves espaciales de los Estados Unidos, aunque se habían utilizado cientos de motores de efecto Hall en naves espaciales soviéticas y rusas. Esta falta de un historial de rendimiento en el espacio significaba que, a pesar del potencial ahorro 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 los campos y las mediciones de partículas. Por lo tanto, una de las principales misiones de la demostración de Deep Space 1 fue mostrar el uso de larga duración de un propulsor iónico en una misión científica. [7]
El propulsor iónico electrostático de preparación de aplicaciones de tecnología solar (NSTAR) de la NASA , desarrollado en el laboratorio Glenn de la NASA, logra un impulso específico de entre 1000 y 3000 segundos. Se trata de un orden de magnitud superior al de los métodos de propulsión espacial tradicionales, lo que supone un ahorro de masa de aproximadamente la mitad. Esto conduce a vehículos de lanzamiento mucho más baratos. Aunque el motor produce solo 92 milinewtons (0,33 oz f ) de empuje a potencia máxima (2100 W en el DS1), la nave alcanzó altas velocidades porque los motores iónicos impulsan de forma continua durante largos períodos. [7]
La siguiente nave espacial que utilizó motores NSTAR fue Dawn , con tres unidades redundantes. [8]
Remote Agent (RAX), un software de autorreparación inteligente a distancia 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 en controlar 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 los componentes de la nave espacial a través de su entorno REPL incorporado. [10] El control autónomo permitirá que las naves espaciales futuras operen a mayores distancias de la Tierra y realicen 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 para respaldar el módulo de aterrizaje Phoenix Mars y el 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 la DSN es el experimento Beacon Monitor . Durante los largos períodos de crucero de la misión, las operaciones de la nave espacial se suspenden esencialmente. En lugar de datos, Deep Space 1 transmitió una señal portadora en una frecuencia predeterminada. Sin decodificación de datos, la portadora podría ser detectada por antenas y receptores terrestres mucho más simples. Si la DS1 detectaba una anomalía, cambiaba la portadora entre cuatro tonos, según la urgencia. Los receptores terrestres luego envían señales a los operadores para que desvíen los recursos de la DSN. Esto evitó que operadores expertos y hardware costoso se encargaran de una misión sin carga que operaba nominalmente. Un sistema similar se utilizó en la sonda New Horizons Plutón para mantener bajos los costos durante su crucero de diez años de Júpiter a Plutón.
El Transpondedor Pequeño de Espacio Profundo (SDST, por sus siglas en inglés) 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 de espacio profundo, se puede enviar la misma cantidad de datos mediante equipos más pequeños en el espacio y en tierra. Por el contrario, las antenas DSN existentes pueden dividir el tiempo entre más misiones. En el momento del lanzamiento, la DSN tenía una pequeña cantidad de receptores K a instalados de manera experimental; las operaciones y misiones K a están aumentando.
El SDST se utilizó posteriormente en otras misiones espaciales como el Laboratorio Científico de Marte (el explorador marciano Curiosity ). [11]
Una vez en el objetivo, el DS1 detecta el entorno de partículas con el instrumento PEPE (Experimento de plasma para la exploración planetaria). Este instrumento mide 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 (Miniature Integrated Camera And Spectrometer ) combinó imágenes de luz visible con espectroscopia 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 el PEPE como el MICAS tenían capacidades similares a las de instrumentos más grandes o conjuntos de instrumentos de otras naves espaciales. Fueron diseñados para ser más pequeños y requerir menos energía 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 aquel momento llamado 1992 KD) y al cometa 19P/Borrelly , añadiéndose el cometa 107P/Wilson–Harrington tras el éxito inicial de la misión. [13] Consiguió 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 en agosto de 2002 del asteroide 1999 KK1 como otra misión extendida, pero finalmente no se avanzó debido a preocupaciones de coste. [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 se restableció 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, que estaban muy juntas. La contaminación se eliminó finalmente, ya que el material se erosionó por un arco eléctrico, se sublimó por desgasificación o simplemente se dejó que se dispersara. Esto se logró reiniciando repetidamente el motor en un modo de reparación del motor, generando un arco sobre el material atrapado. [17]
Se pensaba que los gases de escape del motor iónico podrían 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 del motor. No se encontraron interferencias, aunque el flujo de iones del propulsor impidió que PEPE observara iones por debajo de aproximadamente 20 eV.
Otro fallo fue la pérdida del rastreador de estrellas , que determina la orientación de la nave espacial comparando el campo estelar con sus mapas internos. La misión se salvó cuando se reprogramó la cámara MICAS para sustituir al rastreador de estrellas. Aunque MICAS es más sensible, su campo de visión es un orden de magnitud menor, lo que crea una mayor carga de procesamiento de información. Irónicamente, el rastreador de estrellas era un componente estándar, del que se esperaba que fuera muy fiable. [13]
Sin un rastreador de estrellas en funcionamiento, el impulso iónico se suspendió temporalmente. La pérdida de tiempo de impulso obligó a cancelar un sobrevuelo cerca del cometa 107P/Wilson–Harrington .
El sistema Autonav requería 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 causaban picos de difracción y reflejos en la cámara, lo que hacía que Autonav identificara erróneamente los objetivos.
Se presentaron al sistema de Agente Remoto 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 un fallo eléctrico. Más adelante en la misión, tras el fallo del rastreador de estrellas, MICAS asumió también esta función. Esto provocó interrupciones continuas 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 solo un éxito parcial. La misión Deep Space 1 debía sobrevolar el asteroide a 56 000 km/h (35 000 mph) a solo 240 m (790 pies) del asteroide. Debido a dificultades técnicas, incluido un fallo de software poco antes de la aproximación, la nave pasó a Braille a una distancia de 26 km (16 mi). Esto, sumado al albedo más bajo de Braille , significó que el asteroide no era lo suficientemente brillante 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 fueron decepcionantemente indistintas.
Sin embargo, el paso del cometa Borrelly fue un gran éxito y proporcionó imágenes extremadamente detalladas de la superficie del cometa. Dichas imágenes tenían una resolución mayor que las únicas fotografías anteriores de un cometa, el cometa Halley , tomadas por la sonda espacial Giotto . El instrumento PEPE informó que la interacción del viento solar del cometa estaba desfasada con respecto al núcleo. Se cree que esto se debe a la emisión de chorros, que no se distribuyeron uniformemente por la superficie del cometa.
A pesar de no tener escudos anti-escombros, la nave espacial sobrevivió intacta al paso del cometa. Una vez más, los escasos chorros del cometa no parecieron apuntar hacia la nave espacial. Deep Space 1 entró entonces 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 estaba en los sistemas de motor de iones. La nave espacial finalmente se quedó sin combustible de hidracina para sus propulsores de control de actitud. El propulsor de iones altamente eficiente tenía una cantidad suficiente de propulsor restante 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 de descenso de la sonda posterior al encuentro con Braille, Deep Space 1 observó Marte con su instrumento MICAS. Aunque se trató de un sobrevuelo muy lejano, el instrumento logró tomar múltiples espectros infrarrojos del planeta. [13] [16]
La misión Deep Space 1 logró sus objetivos primarios y secundarios, y envió imágenes y datos científicos valiosos. Los motores iónicos de la DS1 se apagaron el 18 de diciembre de 2001 aproximadamente a las 20:00:00 UTC, lo que marcó el fin de la misión. Las comunicaciones a bordo se configuraron para 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 no tuvieron éxito. [18] La nave permanece dentro del Sistema Solar, en órbita alrededor del Sol. [2]
