NÅD | |
---|---|
engelsk Tyngdkraftsåtervinning och klimatexperiment | |
Tillverkare | Dornier satellitsystem |
Operatör | NASA och German Air and Space Center |
Uppgifter | studie av jordens gravitationsfält |
Satellit | Jorden |
startplatta | Plesetsk , webbplats №133 |
bärraket | Rumble [1] |
lansera | 17 mars 2002 UTC 09:21:27 |
NSSDCA ID | 2002-012A |
SCN | 27391 |
Pris | 127 miljoner dollar (vid lanseringen) |
Specifikationer | |
Plattform | Flexbuss |
Vikt | 474 kg |
Orbitala element | |
Bantyp | cirkumpolär bana |
Humör | 89° |
Cirkulationsperiod | 94 min |
Banhöjd | ≈500 km |
grace.jpl.nasa.gov _ | |
Mediafiler på Wikimedia Commons |
GRACE ( Eng. Gravity Recovery And Climate Experiment ) [2] är ett gemensamt satellituppdrag av NASA och German Aviation and Cosmonautics Center , som syftar till att studera jordens gravitationsfält och dess tidsmässiga variationer associerade, i synnerhet, med klimatförändringsprocesser .
GRACE kartlägger gravitationsfältet genom att mäta positionen för två identiska satelliter i polär omloppsbana på en höjd av 500 km. Två satelliter ( NSSSDC ID : 2002-012A och 2002-012B ) lanserades från Plesetsk Cosmodrome den 17 mars 2002.
Satelliter utbyter kontinuerligt radiosignaler i mikrovågsområdet, vilket gör det möjligt att spåra förändringar i avståndet mellan dem med mikron noggrannhet. Satelliternas korrekta rörelse och orientering registreras med GPS- mottagare , accelerometrar och stjärnspårare . Dessutom är satelliterna utrustade med hörnreflektorer för användning i satellitlaseravståndsmätning .
Satelliter flyger över varje del av jorden ungefär en gång i månaden, vilket gör det möjligt att spåra massors naturliga rörelser (främst förknippade med vattnets kretslopp i naturen ).
Konceptet med experimentet föreslogs i mitten av 1970-talet, men den allmänna tekniska nivån tillät inte implementering. Idén med experimentet var följande: två identiska satelliter (ofta kallade Tom och Jerry , efter hjältarna i den korta tecknade serien med samma namn, som ständigt förföljer varandra), som flyger en efter en i en omloppsbana med en avstånd på 220 km, bör extremt noggrant mäta avståndet mellan sig. När de rör sig längs en polär bana kommer satelliterna att uppleva gravitationseffekten av massinhomogeniteter på ytan och under jordens yta. För att spåra satellitsvängningar i förhållande till varandra måste accelerometrar och högprecisionsavståndsmätare finnas ombord. Så avståndet måste mätas med en noggrannhet på cirka 10 mikron . Det antogs att förändringar i jordens gravitationsfält skulle göra det möjligt att bedöma rörelsen av vattenmassor i haven, inklusive djupströmmar och ytströmmar, utbyte av massor mellan glaciärer och hav, samt geologiska processer under jordens yta [ 3] . Det förväntades att den rumsliga upplösningen av gravitationskartor erhållna på basis av data från GRACE-experimentet skulle vara cirka 300 km, vilket är cirka 100 gånger högre än de modeller som fanns i början av programmet. Själva gravitationskartorna var planerade att uppdateras en gång i månaden. De uppgifter som erhölls under GRACE-uppdraget skulle fritt tillhandahållas vetenskapliga organisationer i olika länder. [4] .
Vissa analytiker föreslog möjligheten att använda data som erhölls under GRACE-experimentet för militära ändamål [4] :
Utöver huvudexperimentet var det planerat att genomföra ytterligare ett experiment om genomlysning av atmosfären med radiosignaler inom GPS-området. Syftet med experimentet var att studera effekten av absorption och refraktion på egenskaperna hos den signal som tas emot av rymdfarkoster [4] .
Åsikter uttrycktes att detta experiment också kunde ha ett militärt fokus: det antogs att bearbetningen av statistik om satellitnavigering med hjälp av GPS-systemet och identifieringen av egenskaperna hos atmosfärens påverkan på användningen av GPS skulle hjälpa till i utvecklingen av kontrollsystem för uppskjutningsfarkoster och ballistiska missiler [4] .
Generellt sett kan man, baserat på resultaten av GRACE-uppdraget, förvänta sig skapandet av en teoretisk bas för tillämpad militär forskning inom följande områden [4] :
GRACE-projektet finansierades av NASA Advanced Research Program . Earth System Science Pathfinders (ESSP) [5] . I juli 1996 påbörjades insamlingen av ansökningar om deltagande i ESSP-programmet. Totalt lämnades 44 ansökningar in, varav 12 (inklusive GRACE) tog sig till final. Bland urvalskriterierna var viljan att skjuta upp i omloppsbana inom 36 månader från starten av finansieringen [6] . Den 18 mars 1997 tillkännagavs tre vinnare, bland annat GRACE-projektet. Projektet genomfördes av amerikanska och tyska utvecklare: Helmholtz Potsdam Center , Dornier Satellitensysteme GmbH (DSS) (ett dotterbolag till EADS Astrium ) från den tyska sidan och JPL , Space Systems/Loral och University of Texas från den amerikanska sidan [7] . Den övergripande förvaltningen av projektet anförtroddes JPL [3] . Huvuddraget i den finansiella sidan av projektet var den maximala överföringen av auktoritet från NASA till projektutförarna. NASA överförde till entreprenörerna det fulla ansvaret för valet av entreprenörer och utvecklare av vetenskaplig utrustning och flygutrustning. I sin tur var JPL ansvarig för experimentets framgång och tillhandahållandet av vetenskaplig information till det internationella forskarsamfundet [7] . Projektet antog arbetet med rymddelen i 5 år från det ögonblick då det lanserades i omloppsbana [3] .
I september 1997 flyttade programmet till "steg B" - tillverkning av rymdfarkoster. Dornier Satellitensysteme ansvarade för tillverkningen av satelliterna. Samma företag tillhandahöll förberedelser av fordon för uppskjutning och integration med bärraketen [7] .
I juli 1999 var GRACE-projektet bland de program vars budget skars ned i den största NASA-budgetnedskärningen sedan 1981, men teamet lyckades övervinna svårigheterna [8] .
För att genomföra GRACE-experimentet tillverkades två rymdfarkoster GRACE 1 och GRACE 2. Det tyska företaget Astrium stod för byggandet av rymdfarkosten med deltagande av Space Systems/Lora och den övergripande projektledningen utfördes av JPL [3] .
FlexBus- plattform utan installerad hårdvara
CHAMP- rymdfarkosten är den första som använder FlexBus-plattformen
GRACE rymdskepp
Rymdfarkosten GRACE-FO - utveckling av GRACE-projektet
Båda satelliterna var baserade på FlexBus [7] satellitplattform . Plattformen utvecklades för CHAMP- uppdraget och modifierades för att möta kraven från GRACE: magnetometern togs bort från plattformens nos, plattformens aerodynamiska egenskaper förbättrades, arbete utfördes för att optimera den ballistiska koefficienten, centra för massan av accelerometrarna placerades på en linjär fortsättning av flödestryckvektorn i alla riktningar, och rörelsesystem användes i masscentrum för multipel justering av dess position under flygningen [7] .
Varje rymdskepp mätte 3,1×1,94 m och vägde 480 kg [9] . Utrustningen ombord på rymdfarkosten bestod av vetenskapliga system, orienterings- och stabiliseringssystem och servicesystem. Alla vetenskapliga instrument monterades på en panel gjord av ett kompositmaterial med låg expansionskoefficient – denna lösning gav den nödvändiga mätnoggrannheten, oavsett mängden solstrålning [3] .
Vetenskapliga systemHuvudinstrumentet i GRACE-experimentet är en K-bandsavståndsmätare ( K -Band Ranging , KBR), som består av fyra nyckelelement [3] :
Utöver KBR installerades flera ytterligare antenner ombord, som användes i ytterligare program. Flera GPS-antenner användes för det atmosfäriska genomlysningsexperimentet. Huvudnavigeringssignalantennen var placerad på ovansidan av rymdfarkosten och var riktad mot zenit. En reservantenn installerades på baksidan av apparaten, riktad till nadir. Den spiralformade GPS-antennen, experimentets huvudantenn, var placerad på baksidan av satelliterna [3] .
För att mäta de icke-gravitationskrafter som verkar på rymdfarkosten användes SuperSTAR-accelerometern, tillverkad av det franska företaget ONERA. Accelerometern inkluderade en sensorenhet (Sensor Unit, SU), som mätte accelerationer, och en gränssnittsenhet (Interface Control Unit, ICU), som filtrerade och bearbetade accelerometerns digitala signaler [3] .
För att övervaka fordonens rörelseparametrar på deras nadirsida, installerades laserhörnreflektorer (Laser Retro-Reflectors, LRR) [3] .
Orienterings- och stabiliseringssystemFör orientering i rymden placerades flera sensorer ombord på rymdfarkosten. Stjärnkameror (+Y, Y) installerades på vänster och höger sida, som var ansvariga för att exakt bestämma satelliternas position. För grov orientering användes en sol-marksensor, en Forster-magnetometer och GPS-mottagare. Utöver orienteringssensorerna fanns ett gyroskop ombord, tillverkat av det engelska företaget. Litton , som var ansvarig för att bestämma positionen under onormal drift av satelliten [3] .
För att styra apparatens position användes två drivsystem. Det reaktiva systemet bestod av flera motorer med en dragkraft på 10 mN, tillverkade av det engelska företaget. Moog , med komprimerat kväve som aktiv kropp. För gaslagring monterades två högtryckscylindrar längs rymdfarkostens huvudaxel. För att minska förbrukningen av arbetsvätskan för orientering installerades sex elektromagnetiska spolar med ett magnetiskt moment på 30 A m² vardera [3] ombord på apparaten .
För att styra satelliterna på avstånd placerades två orbitalmanövrerande motorer med en dragkraft på 40 mN vardera (arbetsvätskan är komprimerat kväve) på baksidan av fordonen [3] .
För att exakt mäta de icke-gravitationskrafter som verkar på satelliten var det nödvändigt att kontrollera rymdfarkostens masscentrum. För att föra enhetens massacentrum till accelerometerns masscentrum användes ett balanseringssystem: 6 MTM-massbalanseringsmekanismer och en MTE-balanseringssystemelektronikenhet. Var och en av massbalanseringsmekanismerna bestod av en rörlig massa på en spindel , och ett par MTM:er gav balansering längs rymdfarkostens ena axel [3] .
ServicesystemFör att säkerställa att de vetenskapliga instrumenten och orienteringssystemet fungerar fungerade flera servicesystem ombord på satelliten [3] :
Den huvudsakliga genererande delen av strömförsörjningssystemet var solpaneler monterade på toppen och sidorna av skrovet. Nickel-vätebatterier med en kapacitet på 16 Ah [3] användes för att arbeta i de skuggade delarna av omloppsbanan .
För att hålla en stabil temperatur ombord på rymdfarkosten användes 64 värmeelement, 45 motstånd och 30 termistorer [3] .
En speciell adapter MSD (Multi-Satellite Dispenser) utvecklades för att lansera två enheter. Utvecklingen av adaptern på uppdrag av Eurockot Launch Services utfördes av det tyska företaget RST Rostock Raumfahrt und Umweltschutz GmbH . Adaptern var en pelare 300×300 mm gjord av aluminium, på vilken medlen för att fästa och separera rymdfarkosten placerades. I sin tur fästes själva adaptern på den övre ramen på Breeze-KM- översteget . MSD-adaptern hade inga elektriska kontakter för att driva nyttolasten, och Briza-KM omborddatorn gav kommandot att separera rymdfarkosten [10] . Komprimerad gas användes för att skilja rymdfarkosten från adaptern [3] . Adaptern klarade acceptanstest i Moskva GKNPTs im. M.V. Chrunichev [10] .
En av fördelarna med Rokot bärraket var möjligheten att använda ett stort nosskydd. För att lansera GRACE-uppdraget skapades en kåpa med en höjd på mer än 6 meter och en diameter på 2,6 m [11] .
I början av 1998, Alfred Tegtmeyer , marknadschef för ett tyskt företag engelska. Cosmos International OHB-System GmbH , som marknadsförde den ryska bärraketen Kosmos -3M på den internationella marknaden, hävdade att företaget hade ett kontrakt för att lansera GRACE-uppdraget [12] . Den 29-30 oktober 1998 besökte dock en delegation av specialister Plesetsk-kosmodromen , som bedömde graden av beredskap hos kosmodromen för lansering av Rokot -raketen . Bland deltagarna fanns Peter Hans Pawlowski ( tyska: Peter Hans Pawlowski ), som representerade GRACE-projektet [13] . Redan den 9 november, German Air and Space Center (DLR) och det engelska företaget. Eurockot Launch Services GmBH (företaget marknadsförde Rokot-raketen på den internationella marknaden) undertecknade ett preliminärt avtal om att skjuta upp två små satelliter under GRACE-programmet med hjälp av Rokot-raketen [14] . Valet av bärraket gjordes enligt resultaten av tävlingen, där leverantörer av lanseringar av sex bärraketer deltog. Rokots främsta konkurrenter var amerikanska Athena-2 och ryska Cosmos-3M. JPL GRACE-projektledaren Edgar Davies kommenterade valet: "Rokot är den enda transportören i sin klass som kan leverera två av dessa tunga satelliter till målbanan. Dess bärförmåga och manövrerbarhet av Briza-KM blev avgörande argument " [15] .
Den 22-24 juni 1999 anlände återigen representanter för DLR, DASA, Dornier Satellite Systems från den tyska sidan och GPL och NASA från den amerikanska sidan till Plesetsk. De övervakade framstegen i arbetet med att anpassa infrastrukturen på plats nr 133 (som tidigare användes för att lansera Kosmos bärraket) till kraven från kommersiella kunder [16] . Lanseringen var planerad till den 23 juni 2001 [7] . Den 25 april 2000 besökte GRACE-representanter, tillsammans med ledningen för Eurockot Launch Services, återigen Plesetsk för att försäkra sig om att infrastrukturen framgångsrikt förbereddes för att ta emot nyttolasten [15] .
Den 14 september 1999 slutförde Astrium GmbH, i ett renrum i Friedrichshafen , Tyskland , kompatibilitetstestning av GRACE A- och B-rymdfarkosterna med bärraketadaptern. Därefter transporterades båda satelliterna till USA i Palo Alto för termisk vakuumtestning [17] . Den 22 december 1999, under ett marktest av bärraketens elektriska system, inträffade ett onormalt släpp av kåpans klaffar. Vid denna tidpunkt befann sig bärraketen vid startpositionen, dockad till servicetornet. Vingarna som föll till marken var inte föremål för restaurering [18] . Denna incident ledde till att lanseringsdatumet skjuts upp till oktober 2001. Den 9 augusti 2001 anlände återigen en delegation som representerade tyska och amerikanska specialister till kosmodromen Plesetsk, som var övertygade om att kosmodromens infrastruktur var redo att ta emot rymdfarkoster [19] . Men på grund av att rymdfarkosterna inte var tillgängliga, flyttades uppskjutningsdatumen gradvis "till höger": 23 november 2001, 27 februari och 5 mars 2002 var försenade [20] . Den 18 december 2001 undertecknade ordföranden för Ryska federationens regering Mikhail Kasyanov en order "Om tillhandahållande på avtalsbasis av Ryska federationens rymdstyrkor av tjänster för att säkerställa lanseringen av två GRACE vetenskapliga rymdfarkoster från Plesetsk Kosmodrom vid Rokot bärraket" [20] .
Det sista lanseringsdatumet sattes till 09:23:14 UTC den 16 mars 2002. Startfönstret var 10 minuter. Men den 14 mars, under förberedelserna före lanseringen, uppstod anmärkningar i en av de tre kanalerna för förlanseringskalibreringen av gyroplattformen på Breeze-KM-översteget. Problemet visade sig inte vara ombord på bärraketen, utan vid uppskjutningskomplexet och löstes genom att den enhet som ansvarade för uppsättningen av referensgyroskopisk kollimator ersattes. Därefter gavs tillstånd att starta vid angiven tid. Men den 16 mars, 40 minuter före öppnandet av uppskjutningsfönstret, beslutades det att skjuta upp lanseringen en dag på grund av meteorologiska förhållanden: på en höjd av 10 km överskred vindhastigheten de tillåtna gränserna. Lanseringen var planerad till den 17 mars 09:21:18 UTC [3] .
Den 17 mars 2002 kl. 09:21:27 UTC (10 sekunder efter öppnandet av uppskjutningsfönstret) lanserades Rokot bärraket med framgång. Klockan 10:47 UTC, 85 minuter och 38 sekunder efter lanseringen, separerade nyttolasten från Breeze-KM övre steg. Klockan 10:49 UTC mottog markstationen för det tyska uppdragskontrollcentret i Weilheim i Oberbayern den första telemetrisignalen från rymdfarkosten och bekräftade framgången med uppskjutningen [3] .
NSSDC ID | SCN | Objektets namn | Orbital lutning | Perigee (km) |
Apogee (km) |
Cirkulationsperiod (min) |
---|---|---|---|---|---|---|
2002-012A | 27391 | NÅD 1 | 89,027° | 496,7 | 520,7 | 94,578 |
2002-012B | 27392 | NÅD 2 | 89,028° | 496,4 | 521,5 | 94,587 |
2002-012C | 27393 | RB "Breeze-KM" | 89,014° | 170,7 | 517,9 | 91,064 |
Klockan 11:01 UTC utförde den övre scenen en tillbakadragningsmanöver och den 27 mars gick den in i atmosfärens täta lager och kollapsade [3] .
Efter uppskjutning i omloppsbana började GRCE 2 "springa iväg" från GRACE 1 med en hastighet av 0,5 m/s, och efter fem dagar var avståndet mellan rymdfarkosten 263 km. Från det ögonblicket började satelliterna närma sig varandra för att inta arbetspositioner ≈220 km från varandra. Inom 44 dagar från uppskjutningsögonblicket testades båda enheterna ombordutrustning [3] .
Inledningsvis designades uppdraget för fem år [21] . Den 9 juni 2010 undertecknade NASAs biträdande administratör Laurie Garver och DLRs styrelseordförande Johann-Dietrich Werner ett avtal i Berlin om att förlänga GRACE-uppdraget till slutet av dess liv i omloppsbana, som då tänktes, 2015 [22] .
Den 3 september 2017 misslyckades en battericell ombord på GRACE-2 på grund av att dess livslängd överskridits, vilket blev den åttonde cellen som förlorades. Den 4 september bröts kommunikationen med enheten. Den 8 september var det möjligt att återställa kommunikationen med satelliten, och kringgå begränsningarna för programvaran ombord. Telemetrianalys visade att det felaktiga elementet fungerar igen, vilket ger den specificerade spänningen [23] . I mitten av oktober stod det klart att GRACE-2-batteriet inte kunde hålla den spänning som behövs för att driva alla förbrukare ombord. Efter en omfattande analys beslutades det att överföra den felaktiga rymdfarkosten till deorbitläge. Den förväntades gå av bana i december 2017-januari 2018 [24] .
Efter fel på GRACE-2-apparaten beslutades det att använda GRACE-1 för att kalibrera accelerometern. För detta genomfördes en kontrollerad påslagning av motorerna och en analys av accelerometeravläsningarna. Denna operation var viktig för förberedelserna av fordonen för GRACE-FO- uppdraget [24] . GRACE-2-satelliten gick in i atmosfären den 24 december 2017. [25] GRACE-1-satelliten gick in i atmosfären den 10 mars 2018. [26]
För att fira 15 år av framgångsrik drift av GRACE-projektet sa JPL Senior Water Specialist Jay Familetti:
Jag kan inte komma på en annan uppsättning dimensioner som har revolutionerat vetenskapen så mycket.[27] |
Jag kan inte komma på en annan uppsättning mätningar som har revolutionerat vetenskapen så mycket. |
Enligt GRACE-data byggdes den mest exakta kartan över jordens globala gravitationsfält för tillfället.
Enligt observationer från 2002 till 2005 bevisades den snabba smältningen av Grönlands is [28] .
År 2006 upptäckte en grupp forskare under ledning av Ralph von Frese och Laramie Potts med hjälp av GRACE-data en geologisk formation i Antarktis med en diameter på cirka 480 km [29] (se Wilkes Land Crater )
GRACE-experimentet gav forskare en mängd information som har fungerat som källa för ett stort antal publikationer i vetenskapliga tidskrifter. Den 15 maj 2020 har Frank Flechtner registrerat 2199 publikationer [30] . Enastående bidrag som återspeglas i den vetenskapliga litteraturen uppmärksammades under SpaceOps 2018-konferensen med priset "For Excellence" av National Centre for Space Research of France [31] .
Tekniken i GRACE-experimentet låg till grund för uppdraget att kartlägga Månens gravitationsfält . Gravity Recovery and Interior Laboratory ( GRAIL ) [32] .
I november 2002 mottog GRACE-uppdraget Best of What's New Awards, som delas ut årligen av Popular Science [33] .
Den 10 december 2007, vid American Geophysical Union Fall Meeting i San Francisco, mottog GRACE-experimentteamet det prestigefyllda William T. Pecora Award , som är ett gemensamt pris från det amerikanska inrikesdepartementet och NASA för enastående bidrag till studien av Jorden med hjälp av avlägsna metoder [34] .
Under 2018 lanserades 2 nya satelliter, som möjliggör mätningar med högre noggrannhet [35] .
Ordböcker och uppslagsverk |
---|