La Mariner 4 (conocida junto con la Mariner 3 como Mariner-Mars 1964 ) fue la cuarta de una serie de naves espaciales destinadas a la exploración planetaria en modo de sobrevuelo. Fue diseñada para realizar observaciones científicas de cerca de Marte y transmitir estas observaciones a la Tierra . Lanzada el 28 de noviembre de 1964, [2] la Mariner 4 realizó el primer sobrevuelo exitoso del planeta Marte , enviando las primeras imágenes de cerca de la superficie marciana. Capturó las primeras imágenes de otro planeta jamás obtenidas desde el espacio profundo ; su representación de un planeta muerto y lleno de cráteres cambió en gran medida la visión de la comunidad científica sobre la vida en Marte . [3] [4] Otros objetivos de la misión eran realizar mediciones de campo y partículas en el espacio interplanetario en las proximidades de Marte y proporcionar experiencia y conocimiento sobre las capacidades de ingeniería para vuelos interplanetarios de larga duración. Inicialmente se esperaba que permaneciera en el espacio durante ocho meses, la misión de la Mariner 4 duró unos tres años en órbita solar. [5] El 21 de diciembre de 1967 se interrumpieron las comunicaciones con el Mariner 4.
La nave espacial Mariner 4 estaba formada por un armazón octogonal de magnesio , de 127 cm (50 pulgadas) de ancho y 45,7 cm (18,0 pulgadas) de alto. Cuatro paneles solares estaban unidos a la parte superior del armazón con una distancia de extremo a extremo de 6,88 metros (22,6 pies), incluidas las paletas de presión solar que se extendían desde los extremos. También se montó una antena parabólica elíptica de alta ganancia de 104,1 cm × 66,0 cm (41,0 pulgadas × 26,0 pulgadas) en la parte superior del armazón. Una antena omnidireccional de baja ganancia estaba montada en un mástil de 223,5 cm (7 pies 4,0 pulgadas) de alto junto a la antena de alta ganancia. La altura total de la nave espacial era de 2,89 metros (9,5 pies). El armazón octogonal albergaba el equipo electrónico, el cableado, el sistema de propulsión de medio recorrido y los suministros y reguladores de gas de control de actitud. [2]
Los instrumentos científicos incluyeron: [6] [7] [8]
La energía eléctrica para los instrumentos y el transmisor de radio del Mariner 4 era suministrada por 28.224 células solares contenidas en los cuatro paneles solares de 176 cm × 90 cm (69 in × 35 in), que podían proporcionar 310 vatios a la distancia de Marte. También se utilizó una batería recargable de plata-zinc de 1200 W·h para maniobras y respaldo. Se utilizó hidracina monopropelente para la propulsión , a través de un motor de control vectorial de álabes de cuatro chorros, con 222 newton (50 lbf ) de empuje, instalado en uno de los lados de la estructura octogonal. El control de actitud de la sonda espacial era proporcionado por 12 chorros de gas nitrógeno frío montados en los extremos de los paneles solares y tres giroscopios . Las paletas de presión solar, cada una con un área de 0,65 m 2 (7,0 pies cuadrados), estaban unidas a las puntas de los paneles solares. La información posicional fue proporcionada por cuatro sensores solares y un sensor para la Tierra, Marte o la estrella Canopus , dependiendo del tiempo en su vuelo espacial. Mariner 4 fue la primera sonda espacial que necesitó una estrella como objeto de referencia para la navegación, ya que las misiones anteriores, que permanecieron cerca de la Tierra, la Luna o el planeta Venus , habían avistado la cara brillante del planeta de origen o el objetivo brillantemente iluminado. Durante este vuelo, tanto la Tierra como Marte serían demasiado tenues para fijarlos. Se necesitaba otra fuente brillante en un ángulo amplio lejos del Sol y Canopus cumplió con este requisito. [6] Posteriormente, Canopus se utilizó como punto de referencia en muchas misiones posteriores. [10]
El equipo de telecomunicaciones del Mariner 4 consistía en transmisores duales de banda S (con un amplificador de cavidad de triodo de siete vatios o un amplificador de tubo de onda viajera de diez vatios ) y un solo receptor de radio que juntos podían enviar y recibir datos a través de las antenas de baja y alta ganancia a 8⅓ o 33⅓ bits por segundo. Los datos también podían almacenarse en una grabadora de cinta magnética con una capacidad de 5,24 millones de bits para su posterior transmisión. Todas las operaciones electrónicas estaban controladas por un subsistema de comandos que podía procesar cualquiera de las 29 palabras de comando directo o tres comandos de palabras cuantitativas para maniobras en curso. El ordenador central y el secuenciador operaban comandos de secuencia temporal almacenados utilizando una frecuencia de sincronización de 38,4 kHz como referencia de tiempo. El control de la temperatura se lograba mediante el uso de rejillas ajustables montadas en seis de los conjuntos electrónicos, además de mantas aislantes multicapa, escudos de aluminio pulido y tratamientos de superficie. Otras mediciones que podían realizarse incluían:
El Mariner 4 también debía llevar un fotómetro ultravioleta en el lado izquierdo de la plataforma de escaneo de la cámara de televisión de popa. Más tarde en las pruebas, se descubrió que la inclusión del fotómetro ultravioleta producía problemas eléctricos que habrían puesto en peligro la cámara de televisión. Como resultado, se lo quitó y se lo reemplazó con un simulador de masa térmica/inercial que fue diseñado para emular la geometría, la masa y otras características del fotómetro ultravioleta, de modo que se anularan los problemas no intencionales causados por la eliminación del fotómetro ultravioleta. Este fotómetro ultravioleta de repuesto finalmente se trasladó en el Mariner 5 en 1967. [11]
Después de que el Mariner 3 se perdiera por completo debido a que la cubierta de carga no se pudo desprender, los ingenieros del JPL sugirieron que se había producido un mal funcionamiento durante la separación del exterior del carenado de metal del revestimiento interior de fibra de vidrio debido a las diferencias de presión entre la parte interior y exterior de la cubierta y que esto podría haber provocado que el mecanismo de separación accionado por resorte se enredara y no se desprendiera correctamente. [12]
Las pruebas en el JPL confirmaron este modo de falla y se hizo un esfuerzo para desarrollar un nuevo carenado completamente metálico. La desventaja de esto fue que el nuevo carenado sería significativamente más pesado y reduciría la capacidad de elevación del Atlas-Agena. Convair y Lockheed-Martin tuvieron que realizar varias mejoras de rendimiento en el propulsor para extraerle más potencia. A pesar de los temores de que el trabajo no pudiera completarse antes de que se cerrara la ventana de Marte de 1964, la nueva cubierta estuvo lista en noviembre. [13]
Después del lanzamiento desde el Complejo de Lanzamiento 12 de la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral , [14] la cubierta protectora que cubría al Mariner 4 fue desechada y la combinación Agena-D / Mariner 4 se separó del cohete Atlas-D a las 14:27:23 UTC del 28 de noviembre de 1964. El primer encendido del Agena tuvo lugar entre las 14:28:14 y las 14:30:38. El encendido inicial puso a la nave espacial en una órbita de estacionamiento terrestre y el segundo encendido entre las 15:02:53 y las 15:04:28 inyectó a la nave en una órbita de transferencia a Marte. El Mariner 4 se separó del Agena a las 15:07:09 y comenzó las operaciones en modo crucero. Los paneles solares se desplegaron y la plataforma de escaneo se desbloqueó a las 15:15:00. La adquisición del Sol se produjo 16 minutos después. [2]
Después de la adquisición del Sol, el rastreador de estrellas Canopus fue en busca de Canopus . El rastreador de estrellas estaba configurado para responder a cualquier objeto que fuera más de un octavo de Canopus y menos de ocho veces más brillante. Incluyendo a Canopus, había siete objetos de este tipo visibles para el sensor. Se necesitó más de un día de "saltos de estrellas" para encontrar Canopus, ya que el sensor se fijó en otras estrellas: [6] un patrón de luz difusa de la Tierra cercana, Alderamin , Regulus , Naos y Gamma Velorum fueron adquiridos antes de Canopus. [3] [10]
Un problema constante que afectó a la nave espacial durante la primera parte de su misión fue que se producían transitorios de señales de error de balanceo con frecuencia y, en ocasiones, causaban la pérdida del bloqueo de la estrella Canopus. El primer intento de una maniobra a mitad de curso fue abortado por una pérdida de bloqueo poco después de que los giroscopios comenzaran a girar. El bloqueo de Canopus se perdió seis veces en un período de menos de tres semanas después del lanzamiento y cada vez se requería una secuencia de comandos de radio para volver a adquirir la estrella. Después de un estudio del problema, los investigadores concluyeron que el comportamiento se debía a pequeñas partículas de polvo que se liberaban de la nave espacial por algún medio y se desplazaban a través del campo de visión del sensor de estrellas. La luz solar dispersada por las partículas aparecía entonces como una iluminación equivalente a la de una estrella brillante. Esto causaba un transitorio de error de balanceo cuando el objeto pasaba por el campo de visión mientras el sensor estaba bloqueado en Canopus. Cuando el objeto era lo suficientemente brillante como para superar los límites de la puerta alta en ocho veces la intensidad de Canopus, la nave espacial desadquiría automáticamente Canopus e iniciaba una búsqueda de balanceo de una nueva estrella. Finalmente, el 17 de diciembre de 1964 se envió un comando de radio que eliminó el límite alto de la compuerta. No hubo más pérdidas de sincronización con Canopus, aunque se produjeron transitorios de balanceo 38 veces más antes del encuentro con Marte. [6] [10]
El vuelo de 7 meses y medio del Mariner 4 implicó una maniobra a mitad de curso el 5 de diciembre de 1964. La maniobra estaba inicialmente programada para el 4 de diciembre, pero debido a una pérdida de sincronización con Canopus, se pospuso. La maniobra se completó con éxito el 5 de diciembre; consistió en un giro de cabeceo negativo de 39,16 grados, un giro de alabeo positivo de 156,08 grados y un tiempo de empuje de 20,07 segundos. Los giros apuntaron el motor de la nave espacial de nuevo en la dirección general de la Tierra, ya que el motor estaba inicialmente apuntando a lo largo de la dirección de vuelo. Tanto los cambios de cabeceo como de alabeo se completaron con una precisión mejor que el 1% , el cambio de velocidad con una precisión de aproximadamente el 2,5%. Después de la maniobra, el Mariner 4 estaba en curso hacia Marte como estaba planeado. [6]
El 5 de enero de 1965, 36 días después del lanzamiento y a 10.261.173 km (6.375.997 mi) de la Tierra, la Mariner 4 redujo su velocidad de transmisión de datos científicos de 33 1/3 a 8 1/2 bits por segundo. Esta fue la primera acción autónoma que la nave espacial había realizado desde la maniobra de mitad de curso. [15]
La sonda Mariner 4 sobrevoló Marte el 14 y 15 de julio de 1965. Su aproximación más cercana fue a 9.846 km (6.118 mi) de la superficie marciana a las 01:00:57 UT del 15 de julio de 1965 (8:00:57 pm EST del 14 de julio), su distancia a la Tierra fue de 216 millones de kilómetros (134 millones de millas), su velocidad fue de 7 km/s (4,3 mi/s) con respecto a Marte, 1,7 km/s (1,1 mi/s) con respecto a la Tierra. [2]
El modo de ciencia planetaria se activó a las 15:41:49 UTC del 14 de julio. La secuencia de la cámara comenzó a las 00:18:36 UT del 15 de julio (7:18:49 pm EST del 14 de julio) y se tomaron 21 imágenes utilizando filtros rojos y verdes alternativos, más 21 líneas de una 22.ª imagen. Las imágenes cubrieron una franja discontinua de Marte comenzando cerca de 40° N, 170° E, hasta aproximadamente 35° S, 200° E, y luego a través del terminador a 50° S, 255° E, lo que representa aproximadamente el 1% de la superficie del planeta. Las imágenes tomadas durante el sobrevuelo se almacenaron en la grabadora de cinta de a bordo. A las 02:19:11 UTC, Mariner 4 pasó detrás de Marte visto desde la Tierra y la señal de radio cesó. La señal se recuperó a las 03:13:04 UTC cuando reapareció la nave espacial. Luego se restableció el modo crucero. La transmisión de las imágenes grabadas a la Tierra comenzó aproximadamente 8,5 horas después de la readquisición de la señal y continuó hasta el 3 de agosto. Todas las imágenes se transmitieron dos veces para garantizar que no faltaran datos ni estuvieran dañados. [2] Cada fotografía individual tardó aproximadamente seis horas en transmitirse a la Tierra. [16]
La nave espacial realizó todas las actividades programadas con éxito y devolvió datos útiles desde el lanzamiento hasta las 22:05:07 UTC del 1 de octubre de 1965, cuando la gran distancia a la Tierra (309,2 millones de kilómetros (192,1 millones de millas)) y la orientación imprecisa de la antena provocaron una pérdida temporal de comunicación con la nave espacial hasta 1967. [2]
La grabadora de cinta de a bordo que se utilizó en el Mariner 4 era de repuesto, no estaba pensada originalmente para el vuelo del Mariner 4. Entre el fallo del Mariner 3, el hecho de que la grabadora del Mariner 4 fuera de repuesto y algunas lecturas de error que sugerían un problema con la grabadora, se decidió que el equipo probaría definitivamente el funcionamiento de la cámara. Esto finalmente llevó a que se dibujara a mano la primera imagen digital. Mientras esperaban a que se procesaran los datos de la imagen por ordenador, el equipo utilizó un juego de pasteles de una tienda de artículos de arte para colorear a mano (estilo pintar por números) una impresión numérica de los píxeles sin procesar. La imagen resultante proporcionó una verificación temprana de que la cámara estaba funcionando. La imagen dibujada a mano se comparó favorablemente con la imagen procesada cuando estuvo disponible. [17]
La adquisición de datos se reanudó a finales de 1967. El detector de polvo cósmico registró 17 impactos en un lapso de 15 minutos el 15 de septiembre, parte de una aparente lluvia de micrometeoroides que cambió temporalmente la actitud de la nave espacial y probablemente dañó ligeramente su escudo térmico. Más tarde se especuló que el Mariner 4 pasó a través de los restos del cometa D/1895 Q1 (D/Swift), e incluso hizo un sobrevuelo del núcleo posiblemente destrozado de ese cometa a 20 millones de kilómetros (12 millones de millas). [18] [19]
El 7 de diciembre se agotó el suministro de gas en el sistema de control de actitud y entre el 10 y el 11 de diciembre se registraron un total de 83 impactos de micrometeoroides que provocaron perturbaciones en la actitud de la nave espacial y una degradación de la intensidad de la señal. El 21 de diciembre de 1967 se interrumpieron las comunicaciones con el Mariner 4. La nave espacial se encuentra ahora abandonada en una órbita heliocéntrica exterior . [20] [21]
Los datos totales devueltos por la misión fueron 5,2 millones de bits (aproximadamente 634 kB ). Todos los instrumentos funcionaron con éxito con la excepción de una parte de la cámara de ionización, concretamente el tubo Geiger-Müller , que falló en febrero de 1965. [2] Además, la sonda de plasma tuvo su rendimiento degradado por una falla de resistencia el 8 de diciembre de 1964, pero los experimentadores pudieron recalibrar el instrumento y aún así interpretar los datos. [22] Las imágenes devueltas mostraron un terreno lleno de cráteres similar a la Luna , [23] que los científicos no esperaban, aunque el astrónomo aficionado Donald Cyr había predicho cráteres. [16] Misiones posteriores mostraron que los cráteres no eran típicos de Marte, sino solo de la región más antigua fotografiada por el Mariner 4. Se estimó una presión atmosférica superficial de 4,1 a 7,0 milibares (410 a 700 Pa) y temperaturas diurnas de −100 °C (−148 °F). No se detectó ningún campo magnético [24] [25] ni cinturones de radiación marcianos [26] ni, sorprendentemente también, agua superficial [16] .
Bruce C. Murray utilizó fotografías del Mariner 4 para dilucidar la historia geológica de Marte. [27]
Imágenes de cráteres y mediciones de una atmósfera delgada [23] [28] —mucho más delgada de lo esperado [16] —que indicaban un planeta relativamente inactivo expuesto a la dureza del espacio, generalmente disiparon las esperanzas de encontrar vida inteligente en Marte . La vida en Marte había sido objeto de especulación y ciencia ficción durante siglos. [29] Si había vida en Marte, después del Mariner 4 la mayoría concluyó que probablemente se trataría de formas más pequeñas y simples. [4] Otros concluyeron que una búsqueda de vida en la Tierra con una resolución kilométrica, utilizando varios miles de fotografías, no reveló una señal de vida en la gran mayoría de estas fotografías; por lo tanto, basándose en las 22 fotografías tomadas por el Mariner 4, no se podía concluir que no había vida inteligente en Marte. [30] Se midió el viento solar y se comparó con registros simultáneos del Mariner 5 que fue a Venus . [31]
Se estima que el coste total de la misión Mariner 4 será de 83,2 millones de dólares (equivalentes a 804 millones de dólares en 2023). [2] Los costes totales de investigación, desarrollo, lanzamiento y soporte de la serie de naves espaciales Mariner (Mariners 1 a 10) fueron de aproximadamente 554 millones de dólares (equivalentes a 5.360 millones de dólares en 2023). [2]
una gran órbita alrededor del sol.
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