MILOST | |
---|---|
Angličtina Obnova gravitace a experiment s klimatem | |
Výrobce | Satelitní systém Dornier |
Operátor | NASA a Německé středisko pro letectví a kosmonautiku |
Úkoly | studium gravitačního pole Země |
Satelit | Země |
panel | Plesetsk , stránka №133 |
nosná raketa | rachot [1] |
zahájení | 17. března 2002 UTC 09:21:27 |
ID NSSDCA | 2002-012A |
SCN | 27391 |
Cena | 127 milionů $ (při spuštění) |
Specifikace | |
Plošina | Flexbus |
Hmotnost | 474 kg |
Orbitální prvky | |
Typ oběžné dráhy | cirkumpolární oběžné dráze |
Nálada | 89° |
Období oběhu | 94 min |
Výška oběžné dráhy | ≈500 km |
grace.jpl.nasa.gov _ | |
Mediální soubory na Wikimedia Commons |
GRACE ( Eng. Gravity Recovery And Climate Experiment ) [2] je společná satelitní mise NASA a Německého centra pro letectví a kosmonautiku , jejímž cílem je studovat gravitační pole Země a jeho časové variace spojené zejména s procesy změny klimatu .
GRACE mapuje gravitační pole měřením polohy dvou stejných satelitů na polární oběžné dráze ve výšce 500 km. Z kosmodromu Plesetsk byly 17. března 2002 vypuštěny dva satelity ( NSSSDC ID : 2002-012A a 2002-012B ) .
Satelity si nepřetržitě vyměňují rádiové signály v mikrovlnném rozsahu, což umožňuje sledovat změny ve vzdálenosti mezi nimi s mikronovou přesností. Správný pohyb a orientace satelitů jsou zaznamenávány pomocí přijímačů GPS , akcelerometrů a sledovačů hvězd . Kromě toho jsou satelity vybaveny rohovými reflektory pro použití v satelitním laserovém zaměřování .
Satelity prolétají nad každou částí Země přibližně jednou za měsíc, což umožňuje sledovat přirozené pohyby hmot (související především s koloběhem vody v přírodě ).
Koncepce experimentu byla navržena v polovině 70. let, ale obecná technologická úroveň neumožňovala realizaci. Myšlenka experimentu byla následující: dva identické satelity (často nazývané Tom a Jerry , podle hrdinů krátkého kresleného seriálu stejného jména, kteří se neustále pronásledují), létající jeden po druhém na jedné oběžné dráze s vzdálenost 220 km, by měly extrémně přesně měřit vzdálenost mezi sebou . Družice se pohybují po polární dráze a zažijí gravitační účinek nehomogenit hmoty na povrchu a pod povrchem Země. Aby bylo možné sledovat oscilace satelitů vůči sobě navzájem, musí být na palubě umístěny akcelerometry a vysoce přesné dálkoměry. Vzdálenost tedy musela být měřena s přesností asi 10 mikronů . Předpokládalo se, že změny gravitačního pole Země umožní posoudit pohyb vodních mas v oceánech, včetně hlubinných a povrchových proudění, výměnu hmot mezi ledovci a oceány a také geologické procesy pod povrchem Země [ 3] . Očekávalo se, že prostorové rozlišení gravitačních map získaných na základě dat experimentu GRACE bude asi 300 km, což je asi 100krát více než u modelů, které existovaly na začátku programu. Samotné gravitační mapy měly být aktualizovány jednou měsíčně. Data získaná během mise GRACE měla být volně poskytnuta vědeckým organizacím v různých zemích. [4] .
Někteří analytici navrhli možnost využití dat získaných během experimentu GRACE pro vojenské účely [4] :
Kromě hlavního experimentu bylo plánováno provedení dalšího experimentu o prosvícení atmosféry rádiovými signály v dosahu GPS. Účelem experimentu bylo studovat vliv absorpce a lomu na charakteristiky signálu přijímaného kosmickou lodí [4] .
Byly vysloveny názory, že tento experiment by mohl mít i vojenské zaměření: předpokládalo se, že zpracování statistik družicové navigace pomocí systému GPS a identifikace znaků vlivu atmosféry na využití GPS pomůže při rozvoji řídicí systémy pro nosné rakety a balistické střely [4] .
Obecně lze na základě výsledků mise GRACE očekávat vytvoření teoretické základny pro aplikovaný vojenský výzkum v následujících oblastech [4] :
Projekt GRACE byl financován z programu NASA Advanced Research Program . Země System Science Pathfinders (ESSP) [5] . V červenci 1996 byl zahájen sběr žádostí o účast v programu ESSP. Celkem bylo podáno 44 přihlášek, z nichž 12 (včetně GRACE) postoupilo do finále. Mezi výběrovými kritérii byla ochota vzlétnout na oběžnou dráhu do 36 měsíců od zahájení financování [6] . 18. března 1997 byli vyhlášeni tři vítězové, mezi nimiž byl i projekt GRACE. Projekt realizovali američtí a němečtí vývojáři: Helmholtz Potsdam Center , Dornier Satellitensysteme GmbH (DSS) (dceřiná společnost EADS Astrium ) z německé strany a JPL , Space Systems/Loral a University of Texas z americké strany [7] . Celkovým řízením projektu byla pověřena JPL [3] . Klíčovým rysem finanční stránky projektu byl maximální přenos pravomocí z NASA na realizátory projektu. NASA přenesla na dodavatele plnou odpovědnost za výběr dodavatelů a vývojářů vědeckého a letového vybavení. JPL byla zase zodpovědná za úspěch experimentu a poskytování vědeckých informací mezinárodní vědecké komunitě [7] . Projekt předpokládal práci vesmírné části po dobu 5 let od okamžiku startu na oběžnou dráhu [3] .
V září 1997 se program přesunul do „etapy B“ – výroby kosmických lodí. Dornier Satellitensysteme byl zodpovědný za výrobu satelitů. Stejná společnost zajišťovala přípravu vozidel pro start a integraci s nosnou raketou [7] .
V červenci 1999 byl projekt GRACE mezi programy, jejichž rozpočty byly škrty v rámci největšího rozpočtového škrtu NASA od roku 1981, ale týmu se podařilo překonat potíže [8] .
Pro realizaci experimentu GRACE byly vyrobeny dvě kosmické lodě GRACE 1 a GRACE 2. Za stavbu sondy byla zodpovědná německá společnost Astrium za účasti Space Systems / Lora a celkový projektový management provedla JPL [3] .
Platforma FlexBus bez nainstalovaného hardwaru
Kosmická loď CHAMP je první, která využívá platformu FlexBus
Kosmická loď GRACE
Kosmická loď GRACE-FO - vývoj projektu GRACE
Oba satelity byly založeny na satelitní platformě FlexBus [7] . Platforma byla vyvinuta pro misi CHAMP a upravena tak, aby splňovala požadavky GRACE: magnetometr byl odstraněn z nosu plošiny, byly zlepšeny aerodynamické vlastnosti plošiny, byly provedeny práce na optimalizaci balistického koeficientu, středy hmota akcelerometrů byla umístěna na lineárním pokračování vektoru tlaku proudění ve všech směrech a pohybové systémy byly využity pro vícenásobné nastavení jeho polohy za letu [7] .
Každá kosmická loď měřila 3,1×1,94 m a vážila 480 kg [9] . Zařízení na palubě kosmické lodi sestávalo z vědeckých systémů, orientačních a stabilizačních systémů a obslužných systémů. Všechny vědecké přístroje byly namontovány na panelu z kompozitního materiálu s nízkým koeficientem roztažnosti – toto řešení poskytovalo potřebnou přesnost měření bez ohledu na množství slunečního záření [3] .
Vědecké systémyHlavním nástrojem experimentu GRACE je K-pásmový dálkoměr ( K - Band Ranging , KBR), který se skládá ze čtyř klíčových prvků [3] :
Kromě KBR bylo na palubě instalováno několik dalších antén, které byly použity v dalších programech. Pro experiment s prosvětlením atmosféry bylo použito několik antén GPS. Hlavní anténa navigačního signálu byla umístěna na horní straně kosmické lodi a byla nasměrována do zenitu. Na zadní straně přístroje byla instalována náhradní anténa, nasměrovaná do nadiru. Šroubová anténa GPS, hlavní anténa experimentu, byla umístěna na zadní straně satelitů [3] .
K měření negravitačních sil působících na kosmickou loď byl použit akcelerometr SuperSTAR, který vyrábí francouzská společnost ONERA. Akcelerometr obsahoval senzorovou jednotku (Sensor Unit, SU), která měřila zrychlení, a jednotku rozhraní (Interface Control Unit, ICU), která filtrovala a zpracovávala digitální signály akcelerometru [3] .
Pro sledování parametrů pohybu vozidel na jejich spodní straně byly instalovány laserové rohové reflektory (Laser Retro-Reflectors, LRR) [3] .
Orientační a stabilizační systémyPro orientaci v prostoru bylo na palubě lodi umístěno několik senzorů. Na levé a pravé straně byly instalovány hvězdné kamery (+Y, Y), které měly na starosti přesné určení polohy satelitů. Pro hrubou orientaci byl použit solárně-pozemský senzor, Forsterův magnetometr a přijímače GPS. Kromě orientačních senzorů byl na palubě gyroskop, vyrobený anglickou firmou. Litton , který byl zodpovědný za určení polohy při abnormálním provozu družice [3] .
Pro řízení polohy aparatury byly použity dva systémy pohonů. Reaktivní systém se skládal z několika motorů o tahu 10 mN, vyrobených anglickou firmou. Moog , se stlačeným dusíkem jako aktivním tělem. Pro skladování plynu byly podél hlavní osy kosmické lodi namontovány dvě vysokotlaké lahve. Pro snížení spotřeby pracovní tekutiny pro orientaci bylo na palubě přístroje instalováno šest elektromagnetických cívek s magnetickým momentem 30 A m² [3] .
Pro ovládání družic na vzdálenost byly na záď vozidel umístěny dva orbitální manévrovací motory o tahu každého 40 mN (pracovní kapalinou je stlačený dusík) [3] .
Pro přesné měření negravitačních sil působících na družici bylo nutné řídit těžiště kosmické lodi. Pro přenesení těžiště zařízení do těžiště akcelerometru byl použit vyvažovací systém: 6 vyvažovacích mechanismů MTM a elektronická jednotka vyvažovacího systému MTE. Každý z mechanismů pro vyvažování hmoty se skládal z pohyblivé hmoty na vřetenu a jeden pár MTM zajišťoval vyvažování podél jedné osy kosmické lodi [3] .
Servisní systémyPro zajištění fungování vědeckých přístrojů a orientačního systému pracovalo na palubě satelitu několik servisních systémů [3] :
Hlavní generující částí napájecího systému byly solární panely namontované na vršku a bocích trupu. Pro práci ve zastíněných částech oběžné dráhy byly použity niklovo-vodíkové baterie s kapacitou 16 Ah [3] .
Pro udržení stabilní teploty na palubě kosmické lodi bylo použito 64 topných těles, 45 odporů a 30 termistorů [3] .
Pro spuštění dvou zařízení byl vyvinut speciální adaptér MSD (Multi-Satellite Dispenser). Vývoj adaptéru zadaný společností Eurockot Launch Services provedla německá společnost RST Rostock Raumfahrt und Umweltschutz GmbH . Adaptérem byl sloupek 300×300 mm vyrobený z hliníku, na kterém byly umístěny prostředky pro upevnění a oddělování kosmické lodi. Samotný adaptér byl zase připevněn k hornímu rámu horního stupně Breeze-KM . Adaptér MSD neměl elektrické konektory pro napájení užitečného zatížení a palubní počítač Briza-KM dal příkaz k oddělení kosmické lodi [10] . K oddělení kosmické lodi od adaptéru byl použit stlačený plyn [3] . Adaptér prošel akceptačními testy v Moskvě GKNPTs im. M. V. Khrunichev [10] .
Jednou z výhod nosné rakety Rokot byla možnost použití velké příďové kapotáže. Pro vypuštění mise GRACE byla vytvořena kapotáž o výšce více než 6 metrů a průměru 2,6 m [11] .
Na začátku roku 1998 Alfred Tegtmeyer , marketingový ředitel německé společnosti English. Cosmos International OHB-System GmbH , která propagovala ruskou nosnou raketu Kosmos -3M na mezinárodním trhu, tvrdila, že společnost má smlouvu na vypuštění mise GRACE [12] . Ve dnech 29. – 30. října 1998 však kosmodrom Plesetsk navštívila delegace specialistů , kteří hodnotili stupeň připravenosti kosmodromu ke startům nosné rakety Rokot . Mezi účastníky byl Peter Hans Pawlowski ( německy Peter Hans Pawlowski ), zastupující projekt GRACE [13] . Již 9. listopadu Německé letecké a kosmické středisko (DLR) a anglická společnost. Eurockot Launch Services GmBH (společnost propagovala nosnou raketu Rokot na mezinárodním trhu) podepsala předběžnou dohodu o vypuštění dvou malých družic v rámci programu GRACE pomocí nosné rakety Rokot [14] . Volba nosné rakety byla provedena podle výsledků soutěže, které se zúčastnili poskytovatelé startů šesti nosných raket. Hlavními konkurenty Rokotu byly americký Athena-2 a ruský Cosmos-3M. Projektový manažer JPL GRACE Edgar Davies k volbě poznamenal: „Rokot je jediný nosič ve své třídě schopný dopravit dva z těchto těžkých satelitů na cílovou oběžnou dráhu. Jeho nosnost a manévrovatelnost Briza-KM se staly rozhodujícími argumenty“ [15] .
Ve dnech 22. – 24. června 1999 dorazili do Plesetsku opět zástupci DLR, DASA, Dornier Satellite Systems z německé strany a GPL a NASA z americké strany. Sledovali postup prací na přizpůsobení infrastruktury stanoviště č. 133 (dříve využívané pro start nosné rakety Kosmos) požadavkům komerčních zákazníků [16] . Start byl naplánován na 23. června 2001 [7] . Dne 25. dubna 2000 zástupci GRACE, doprovázení vedením Eurockot Launch Services, opět navštívili Plesetsk, aby se ujistili, že infrastruktura je úspěšně připravena na příjem užitečného zatížení [15] .
14. září 1999 společnost Astrium GmbH v čisté místnosti ve Friedrichshafenu v Německu dokončila testování kompatibility kosmických lodí GRACE A a B s adaptérem nosné rakety. Poté byly oba satelity převezeny do USA v Palo Alto k tepelnému vakuovému testování [17] . 22. prosince 1999 během pozemního testu elektrických systémů nosné rakety došlo k anomálnímu uvolnění vztlakových klapek. V tuto chvíli byla nosná raketa ve výchozí pozici, ukotvena k obslužné věži. Křídla, která spadla na zem, nebyla předmětem restaurování [18] . Tento incident vedl k odložení data startu na říjen 2001. 9. srpna 2001 opět dorazila na kosmodrom Plesetsk delegace zastupující německé a americké specialisty, kteří byli přesvědčeni, že infrastruktura kosmodromu je připravena na přijetí kosmických lodí [19] . Vzhledem k nedostupnosti samotných kosmických lodí se však termíny startů postupně posouvaly „doprava“: 23. listopad 2001, 27. únor a 5. březen 2002 měly zpoždění [20] . Dne 18. prosince 2001 podepsal předseda vlády Ruské federace Michail Kasjanov příkaz „O smluvním poskytování služeb kosmickými silami Ruské federace k zajištění startu dvou vědeckých kosmických lodí GRACE z Plesecka. Kosmodrom nosnou raketou Rokot“ [20] .
Konečné datum spuštění bylo stanoveno na 09:23:14 UTC 16. března 2002. Startovní okno bylo 10 minut. Ale 14. března během předstartovní přípravy vyvstaly v jednom ze tří kanálů předstartovní kalibrace gyroplatformy horního stupně Breeze-KM připomínky. Ukázalo se, že problém nebyl na palubě nosné rakety, ale ve startovacím komplexu a byl vyřešen výměnou jednotky zodpovědné za nastavení referenčního gyroskopického kolimátoru. Poté bylo dáno povolení ke startu v uvedeném čase. Ale 16. března, 40 minut před otevřením startovacího okna, bylo rozhodnuto odložit start o den kvůli meteorologickým podmínkám: ve výšce 10 km překročila rychlost větru povolené limity. Start byl naplánován na 17. března 09:21:18 UTC [3] .
17. března 2002 v 09:21:27 UTC (10 sekund po otevření startovacího okna) byla úspěšně vypuštěna nosná raketa Rokot. V 10:47 UTC, 85 minut 38 sekund po startu, se náklad oddělil od horního stupně Breeze-KM. V 10:49 UTC přijala pozemní stanice německého řídícího střediska mise ve Weilheimu v Oberbayernu první telemetrický signál z kosmické lodi a potvrdila úspěšnost startu [3] .
Parametry oběžné dráhy vypočtené z dat NORAD [3]ID NSSDC | SCN | Název objektu | Orbitální sklon | Perigee (km) |
Apogee (km) |
Doba oběhu (min) |
---|---|---|---|---|---|---|
2002-012A | 27391 | MILOSTI 1 | 89,027° | 496,7 | 520,7 | 94,578 |
2002-012B | 27392 | GRACE2 | 89,028° | 496,4 | 521,5 | 94,587 |
2002-012C | 27393 | RB "Breeze-KM" | 89,014° | 170,7 | 517,9 | 91,064 |
V 11:01 UTC provedl horní stupeň odtahový manévr a 27. března vstoupil do hustých vrstev atmosféry a zhroutil se [3] .
Po startu na oběžnou dráhu začala GRCE 2 „utíkat“ z GRACE 1 rychlostí 0,5 m/s a po pěti dnech byla vzdálenost mezi sondou 263 km. Od tohoto okamžiku se satelity začaly k sobě přibližovat, aby zaujaly pracovní polohy ≈220 km od sebe. Do 44 dnů od okamžiku startu byla obě zařízení testována na palubním zařízení [3] .
Původně byla mise navržena na pět let [21] . Dne 9. června 2010 podepsali asociovaný administrátor NASA Laurie Garver a předseda výkonné rady DLR Johann-Dietrich Werner v Berlíně dohodu o prodloužení mise GRACE až do konce jejího života na oběžné dráze, jak se tehdy předpokládalo, v roce 2015 [22] .
3. září 2017 selhal bateriový článek na palubě GRACE-2 kvůli překročení své životnosti a stal se osmým ztraceným článkem. 4. září se ztratila komunikace se zařízením. 8. září bylo možné obnovit komunikaci s družicí a obejít tak omezení palubního softwaru. Telemetrická analýza ukázala, že vadný prvek opět funguje a dává specifikované napětí [23] . V polovině října bylo jasné, že baterie GRACE-2 nedokáže udržet napětí potřebné k napájení všech spotřebičů na palubě. Po komplexní analýze bylo rozhodnuto převést vadnou kosmickou loď do režimu deorbit. Očekávalo se, že deorbituje v prosinci 2017 až lednu 2018 [24] .
Po selhání aparatury GRACE-2 bylo rozhodnuto použít ke kalibraci akcelerometru GRACE-1. K tomu bylo provedeno řízené zapínání motorů a analýza hodnot akcelerometru. Tato operace byla důležitá pro přípravu vozidel na misi GRACE-FO [24] . Družice GRACE-2 vstoupila do atmosféry 24. prosince 2017. [25] Družice GRACE-1 vstoupila do atmosféry 10. března 2018. [26]
Starší vodní specialista JPL Jay Familetti při oslavě 15 let úspěšného fungování projektu GRACE řekl:
![]() |
Nedokážu si představit jiný soubor dimenzí, které tak revolucionizovaly vědu.[27] | ![]() |
Nedokážu si vzpomenout na další sadu měření, která tak revolucionizovala vědu. |
Podle údajů GRACE byla v tuto chvíli postavena nejpřesnější mapa globálního gravitačního pole Země.
Podle pozorování z let 2002 až 2005 bylo prokázáno rychlé tání ledu Grónska [28] .
V roce 2006 skupina výzkumníků vedená Ralphem von Fresem a Laramie Potts pomocí dat GRACE objevila v Antarktidě geologický útvar o průměru asi 480 km [29] (viz Wilkes Land Crater )
Experiment GRACE poskytl výzkumníkům množství informací, které posloužily jako zdroj pro velké množství publikací ve vědeckých časopisech. K 15. květnu 2020 eviduje Frank Flechtner 2199 publikací [30] . Vynikající příspěvky odrážející se ve vědecké literatuře byly oceněny během konference SpaceOps 2018 cenou „For Excellence“ od Národního centra pro výzkum vesmíru ve Francii [31] .
Technologie experimentu GRACE byla základem pro misi mapující gravitační pole Měsíce . Gravity Recovery and Interior Laboratory ( GRAIL ) [32] .
V listopadu 2002 obdržela mise GRACE cenu Best of What's New Awards, kterou každoročně uděluje Popular Science [33] .
Dne 10. prosince 2007 na podzimním setkání American Geophysical Union v San Franciscu obdržel experimentální tým GRACE prestižní cenu Williama T. Pecory , která je společnou cenou Ministerstva vnitra USA a NASA za mimořádný přínos ke studiu Země pomocí vzdálených metod [34] .
V roce 2018 byly vypuštěny 2 nové satelity, které umožňují měření s vyšší přesností [35] .
![]() |
---|