La nave espacial Magallanes era una sonda espacial robótica de 1.035 kilogramos (2.282 libras) lanzada por la NASA el 4 de mayo de 1989. Los objetivos de su misión eran cartografiar la superficie de Venus mediante el uso de 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 inercial de etapa superior y la primera nave espacial en probar el aerofrenado como método para circularizar su órbita. Magellan 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 de Estados Unidos.
A finales de la década de 1970, los científicos abogaron por una misión de mapeo por radar a Venus. Primero intentaron construir una nave espacial llamada Venus Orbiting Imaging Radar (VOIR), pero quedó claro que la misión estaría más allá de las limitaciones presupuestarias durante los años siguientes. La misión VOIR fue cancelada en 1982.
El Comité de Exploración del Sistema Solar recomendó una propuesta de misión de radar simplificada, que fue presentada y aceptada como el programa Venus Radar Mapper en 1983. 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 Martin Marietta Company, [7] y el Jet Propulsion Laboratory (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 fue el científico principal del proyecto. [3] El Grupo de Comunicaciones y Espacio de Hughes Aircraft Company diseñó y construyó el radar de apertura sintética de la nave espacial. [8]
Para ahorrar costos, la mayor parte de la sonda Magellan se compuso de repuestos de vuelo y 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 autobús de aluminio de 10 lados que contenía las computadoras, los registradores de datos y otros subsistemas. La nave espacial medía 6,4 metros de altura 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 estabilizarse en tres ejes, incluso durante el disparo del motor de cohete sólido (SRM) Star 48B utilizado para colocarlo en órbita alrededor de Venus. Antes de Magallanes , todos los disparos de SRM de naves espaciales implicaban naves espaciales giratorias, lo que hacía que el control del SRM fuera una tarea mucho más fácil. En un modo de centrifugado típico, se cancelan todas las fuerzas no deseadas relacionadas con el SRM o las desalineaciones de las boquillas. En el caso de Magallanes , el diseño de la nave espacial no se prestaba a girar, por lo que el diseño del sistema de propulsión resultante tuvo que adaptarse a los difíciles problemas de control del gran Star 48B SRM. El Star 48B, que contenía 2014 kg de propulsor sólido, desarrolló un empuje de ~89 kN (20 000 lbf) poco después del disparo; 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 acomodaría la bahía de carga útil del transbordador espacial Orbiter (4,4 mo 14,5 pies de diámetro). ). [ cita necesaria ]
El diseño real del sistema de propulsión constaba de un total de 24 propulsores monopropulsores de hidracina alimentados desde un único 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 garantizar el máximo empuje de los propulsores de 445 N durante el disparo 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 liviana 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 conectada a la antena de alta ganancia para contingencias. Al comunicarse con la Deep Space Network , 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]
Magallanes funcionaba con dos paneles solares cuadrados , cada uno de los cuales medía 2,5 metros de ancho. En conjunto, los conjuntos suministraron 1.200 vatios de potencia al comienzo de la misión. Sin embargo, durante el transcurso 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 26 celdas y 30 amperios . Las baterías se recargaron cuando la nave espacial recibió luz solar directa. [4] [10]
El sistema informático de la nave espacial era un equipo parcialmente modificado del Galileo . Había dos computadoras ATAC-16 que formaban un sistema redundante, ubicadas en el subsistema de control de actitud, y cuatro microprocesadores RCA 1802 , como dos sistemas redundantes, para controlar el subsistema de comando y datos (CDS). El CDS pudo almacenar comandos durante hasta tres días y también controlar de forma autónoma la nave espacial si surgieran problemas mientras los operadores de la misión no estaban en contacto con la nave espacial. [9]
Para almacenar las órdenes 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]
Densa y opaca, la atmósfera de Venus requirió un método más allá del estudio óptico para mapear la superficie del planeta. La resolución del radar convencional depende enteramente del tamaño de la antena, que está muy restringido 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. Magallanes abordó este problema utilizando un método conocido como apertura sintética , donde se imita una gran antena procesando la información recopilada por computadoras terrestres. [12] [13]
La antena parabólica de alta ganancia de Magallanes , orientada entre 28° y 78° a la derecha o izquierda del nadir , emitía miles de pulsos de microondas por segundo que atravesaban las nubes y llegaban a la superficie de Venus, iluminando una franja de tierra. Luego, el sistema de radar registró 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 superpuso 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 "aspectos" superpuestos y combinarlos en una imagen continua de alta resolución de la superficie. [12] [13] [14]
El sistema de radar funcionó en tres modos: radar de apertura sintética (SAR), altimetría (ALT) y radiometría (RAD). El instrumento recorrió 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 de abanico , ubicada justo al lado.
– En el modo de radar de apertura sintética , el instrumento transmitió varios miles de pulsos de microondas de 12,6 centímetros de onda larga cada segundo a través de la antena de alta ganancia, mientras medía el desplazamiento Doppler de cada uno de ellos que golpea la superficie. – En modo Altimetría , el instrumento entrelaza pulsos con SAR, y opera de manera similar con la antena altimétrica, registrando información sobre la elevación de la superficie de Venus. – En modo Radiometría , la antena de alta ganancia se utilizó para registrar las emisiones radiotérmicas de microondas de Venus. Estos datos se utilizaron para caracterizar la temperatura de la superficie.
Los datos se recopilaron a 750 kilobits/segundo en la grabadora y luego se transmitieron a la Tierra (10 bits por segundo*365*4*24*60=21 Mbit (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 JPL. [12] [15] [16] [17]
Además de los datos del radar, Magellan recopiló varios otros tipos de mediciones científicas. Estos incluían mediciones detalladas del campo gravitacional de Venus, [18] mediciones de la densidad atmosférica y datos de ocultación de radio del perfil atmosférico.
Magellan 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 39B del KSC 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 propulsor inercial de etapa superior adjunto se desplegaron desde la Atlántida y se lanzaron el 5 de mayo de 1989 a las 01:06:00 UTC, enviando la nave espacial a una órbita heliocéntrica Tipo IV donde rodearía el Sol 1,5 veces, antes de llegando 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 Magellan , se aplazaron hasta que se reanudaran los vuelos del transbordador en septiembre de 1988. Se planeó lanzar Magellan con un propulsor de etapa superior Centaur G de combustible líquido , transportado en la bodega de carga del transbordador espacial. Sin embargo, todo el programa Centaur G fue cancelado después del desastre del Challenger , y la sonda Magellan tuvo que ser modificada para acoplarse a la menos poderosa Inertial Upper Stage . La siguiente mejor oportunidad para el lanzamiento se produjo en octubre de 1989. [5] [10]
Sin embargo, lo que complicó aún más el lanzamiento fue el lanzamiento de la misión Galileo a Júpiter, que incluía un sobrevuelo de Venus. El lanzamiento de Galileo estaba previsto para 1986, pero las presiones para asegurar el lanzamiento de Galileo en 1989, combinadas con una breve ventana de lanzamiento que requirió un lanzamiento a mediados de octubre, dieron como resultado una replanificación de la misión Magallanes . Desconfiado de los lanzamientos rápidos de transbordadores, se tomó la decisión de lanzar Magallanes en mayo y ponerlo en una órbita que requeriría un año y tres meses antes de encontrarse con Venus. [5] [10]
El 10 de agosto de 1990, Magallanes encontró Venus y comenzó la maniobra de inserción orbital que colocó a 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 fuera de ella. a 7762 kilómetros durante la 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 a la Tierra a medida que se alejaba de Venus. Esta maniobra requirió un uso extensivo de las ruedas de reacción para hacer girar la nave espacial mientras tomaba imágenes de la superficie durante 37 minutos y apuntaba hacia la Tierra durante dos horas. La misión principal pretendía que la nave espacial enviara 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 entre 90 grados de latitud norte y 54 grados de latitud sur, y una franja sur , designada como 76 grados de latitud norte hasta 68 grados de latitud sur. Sin embargo, debido a que el periapsis está a 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 "mirando hacia 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 desde 2.000 kilómetros en el polo norte hasta 290 kilómetros cerca del periapsis. Al finalizar el 15 de mayo de 1991, después de haber realizado 1.792 órbitas, Magallanes había cartografiado aproximadamente el 83,7% de la superficie con una resolución de entre 101 y 250 metros/píxel. [11] [20]
Inmediatamente después del final del ciclo 1, el ciclo 2 tenía como objetivo proporcionar datos para las lagunas existentes en el mapa recopilado durante el primer ciclo, incluida una gran parte del hemisferio sur. Para ello, hubo que reorientar a Magallanes , cambiando el método de recogida a "mirar hacia la derecha". Una vez finalizado 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 ciclo 2, el ciclo 3 comenzó a recopilar datos para imágenes estéreo en 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, aumentando la cobertura general de la superficie al 98%. [11] [20]
Al completar el ciclo 3, Magellan dejó de tomar imágenes de la superficie. En cambio, a partir de mediados de septiembre de 1992, el Magallanes mantuvo la antena de alta ganancia apuntando hacia la Tierra, donde la Red del Espacio Profundo comenzó a registrar un flujo constante de telemetría. Esta señal constante permitió al DSN recopilar información sobre el campo gravitacional de Venus monitoreando 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 la finalización del 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 fue circularizada mediante una técnica conocida como aerofrenado . La órbita circular permitió adquirir 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. 29 de agosto de 1994. [4] [5] [11] [20]
El aerofrenado se había buscado durante mucho tiempo como método para frenar la órbita de las naves espaciales interplanetarias. Las sugerencias anteriores incluían la necesidad de aeroproyectiles que resultaron demasiado complicados y costosos para la mayoría de las misiones. Probando un nuevo enfoque del método, se ideó un plan para dejar caer la órbita de Magallanes en la región más exterior de la atmósfera venusina . Una ligera fricción en la nave espacial ralentizó la velocidad durante un período ligeramente superior a dos meses, lo que llevó a la nave espacial a una órbita aproximadamente circular con una altitud de periápside de 180 km y una altitud de apoápside de 540 km, por debajo de una altitud de apoápside 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, la órbita de Magallanes fue bajada para comenzar el "Experimento del Molino de Viento". Durante el experimento, la nave espacial se orientó con los paneles solares ampliamente perpendiculares a la trayectoria orbital, donde podían actuar como paletas al impactar contra las moléculas de la atmósfera superior de Venus. Para contrarrestar esta fuerza, los propulsores se dispararon para evitar que la nave espacial girara. Esto proporcionó datos sobre la interacción básica del gas oxígeno-superficie. Esto resultó útil para comprender el impacto de las fuerzas de la atmósfera superior, lo que ayudó a diseñar futuros satélites en órbita terrestre y métodos de frenado aerodinámico durante futuras misiones de naves espaciales planetarias. [20] [23] [24]
Magallanes creó el primer (y actualmente el mejor) mapeo de radar de alta resolución y calidad casi fotográfica de las características de la superficie del planeta. Misiones anteriores a Venus habían creado globos de radar de baja resolución de formaciones generales del tamaño de un continente. Magallanes , 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 Magallanes sigue siendo actualmente el mapa de Venus más detallado que existe, aunque las próximas sondas VERITAS y Roskosmos Venera-D de la NASA llevarán un radar que puede alcanzar una resolución mucho mayor en comparación con el radar utilizado por Magallanes . Se espera que ambas sondas se lancen en 2029.
Medios relacionados con las imágenes del radar Magallanes en Wikimedia CommonsEl proyecto Magellan se creó de modo que las imágenes y los datos iniciales de la sonda Magellan fueran utilizados y estudiados únicamente por un equipo de investigadores principales de una variedad de universidades e instituciones, y por el Equipo Científico del Proyecto Magellan . Estos científicos fueron responsables de validar los datos, contribuir con aportes para la adquisición de datos de las naves espaciales e interpretar los resultados de los datos para su publicación al público. Los datos se compartieron con tres científicos soviéticos visitantes (Alexander Basilevsky, Effaim Akim y Alexander Zacharov), una primera y delicada cuestión para la NASA en el momento en que se consideraba que la Guerra Fría estaba llegando a su fin.
La sala de Ciencias del Proyecto Magellan se hizo famosa por colgar largas tiras de datos de imágenes impresas térmicamente (FBIDR) a lo largo de las paredes de una sala espaciosa. Esta fue la primera forma en que se vieron imágenes de la superficie de Venus debido a las franjas largas y estrechas adquiridas por la nave espacial. Entre las invitadas 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 se puso a disposición del público.
El equipo científico del Proyecto Magallanes estuvo formado 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 los investigadores principales y tres científicos soviéticos visitantes.
El 9 de septiembre de 1994, un comunicado de prensa describió la terminación de la misión Magallanes . Debido a la degradación de la producción de energía de los paneles solares y los componentes a bordo, y habiendo completado todos los objetivos con éxito, la misión debía finalizar a mediados de octubre. La secuencia de terminación comenzó a finales 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 mediante maniobras de ajuste orbital posteriores, reduciendo aún más la altitud de la nave espacial para la fase de terminación final. [23]
El 11 de octubre de 1994, moviéndose a una velocidad de 7 kilómetros por segundo, se realizó la maniobra final de ajuste orbital, colocando la nave espacial a 139,7 kilómetros sobre la superficie, muy dentro de la atmósfera. A esta altitud, la nave espacial encontró suficiente presión de ariete para elevar las temperaturas en los paneles solares a 126 grados Celsius. [19] [25]
El 13 de octubre de 1994 a las 10:05:00 UTC, la comunicación se perdió cuando la nave espacial entró en ocultación de 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 habrían llegado a la superficie a las 20:00:00 UTC. [19] [20]
La comunicación con la nave espacial Magallanes se perdió la madrugada del miércoles, luego de una agresiva serie de cinco maniobras de ajuste de órbita (OTM) el martes 11 de octubre, que llevaron la órbita a la atmósfera superior de Venus. Se esperaba que el diseño del experimento Termination (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 continua pérdida de células solares.
Por lo tanto, se diseñó un experimento controlado final para maximizar el retorno de la misión. Esta última altitud fue necesaria para estudiar los efectos de una atmósfera de dióxido de carbono.
El OTM final llevó el periapsis a 139,7 km (86,8 millas), donde la resistencia sensible de la nave espacial era muy evidente. Las temperaturas de los paneles solares subieron a 126 grados. C. y el sistema de control de actitud encendió 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 cayera por debajo de 24 voltios. Se decidió mejorar el experimento Windmill cambiando los ángulos del panel para las órbitas restantes. Esta también fue una opción de experimento planificada previamente.
En ese momento, se esperaba que la nave espacial sobreviviera sólo dos órbitas.
Magallanes continuó manteniendo comunicación durante tres órbitas más, a pesar de que la potencia siguió cayendo por debajo de los 23 voltios y finalmente alcanzó los 20,4 voltios. En ese momento, una batería se desconectó y se definió que la nave espacial carecía de energía.
La comunicación se perdió a las 3:02 am PDT justo cuando Magallanes estaba a punto de entrar en una ocultación de la Tierra 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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