Chińska misja Chang’e 2 – przegląd

0

{jathumbnail off}Sonda Chang’e 2 jest drugim (po Chang’e 1) próbnikiem chińskiego programu księżycowego, wysłanym przez chińską agencję kosmiczną (China National Space Administration – CNSA). Sonda wykonuje badania powierzchni oraz środowiska wokół Księżyca z jego orbity. Serdecznie zapraszamy do przeczytania obszernego przeglądu tej misji.

WPROWADZENIE

Grafika przedstawiająca orbiter Księżyca Chang’e 2 / Credits: CNSA

Cele misji obejmują także testy technologii na potrzeby następnych lotów. Cele naukowe pokrywają się z celami Chang’e 1. Zaliczają się do nich: dostarczenie stereoskopowych obrazów powierzchni Księżyca w celu poznania struktury form powierzchniowych; wykonania ogólnych badań geologicznych powierzchni Księżyca; dostarczenie danych pomocnych w planowaniu miękkich lądowań na powierzchni; wykonanie map składu pierwiastkowego powierzchni Księżyca, obejmujących 14 pierwiastków (K, Th, U, O, Si, Mg, Al, Ca, Te, Ti, Na, Mn, Cr, La), co jest ulepszeniem w stosunku do map dostarczonych przez sondę Lunar Prospector, obejmujących 10 pierwiastków (K, U, Th, Fe, Ti, O, Si, Al, Mg, Ca); opracowanie map składu mineralnego powierzchni; opracowanie map topograficznych powierzchni; określenie grubości regolitu powierzchniowego; wykonanie oceny zasobów naturalnych powierzchni Księżyca, w tym zasobów helu 3; wykonanie badań oddziaływań wiatru słonecznego z Księżycem, a także badań wiatru słonecznego w czasie lotu na Księżyc. W stosunku do Chang’e 1 badania naukowe mogą być prowadzone z większą dokładnością dzięki niższej orbicie sondy, większej zdolności wymiany danych oraz kamerze o wyższej rozdzielczości przestrzennej. Plan misji jest też w większym stopniu nastawiony na przygotowywania misji lądowników. Zawiera manewry testujące zdolności zmian orbity oraz symulujące trajektorie lądowania.

KOSNTRUKCJA


Chang’e 2 w trakcie testów / Credits: CNSA

Sonda Chang’e 2 została zbudowana jako egzemplarz zapasowy Chang’e 1. Pojazd ma kształt prostopadłościanu, a jej masa wraz z paliwem wynosi 2 480 kilogramów. Konstrukcja sondy opiera się na satelicie telekomunikacyjnym DFH-3.

Korpus sondy ma wymiary 2.00 x 1.72 x 2.22 metra. Energii elektrycznej dostarczają dwa skrzydła fotoogniw słonecznych ustawione symetrycznie po bokach korpusu pojazdu. Mają one zdolność obracania się za Słońcem. Każde skrzydło składa się z trzech prostokątnych paneli słonecznych. Uzyskana energia jest zużywana na bieżąco, a także ładuje baterie chemiczne. Statek jest stabilizowany trójosiowo. Do kontroli orientacji przestrzennej służą koła reakcyjne oraz małe silniczki kontroli orientacji. Danych nawigacyjnych dostarczają szperacze gwiazd, sensory Słońca, oraz bezwładnościowa jednostka odniesienia. Kontrolę temperatury wewnętrznej zapewniają radiatory, grzejniki oraz wielowarstwowa izolacja. Łączność z Ziemią zapewnia antena wysokiego zysku ustawiona w górnej części korpusu sondy. System komunikacyjny pracuje w paśmie X. Pozwala to na transmisję większej ilości danych niż w przypadku Chang’e 1, gdzie stosowane było pasmo S. Sonda posiada ponadto dwie omnikierunkowe anteny niskiego zysku pracujące w paśmie S. Służą one do transmisji danych inżynieryjnych oraz do śledzenia radiowego pojazdu. System napędowy znajduje się w cylindrze stanowiącym centralną część próbnika. Silnik główny charakteryzuje się ciągiem 490N.

Instrumenty naukowe są obsługiwane przez osobny system zarządzania danymi (Payload Data Management System – PDMS). Pozwala on na zarządzanie ładunkiem użytecznym, kontrolę stanu instrumentów oraz wymianę danych z nimi. Jego wydajność jest zwiększona w stosunku do Chang’e 1.

Oprócz usprawnień w systemie komunikacyjnym i systemie zarządzania danymi w stosunku do Chang’e 1 zwiększono też wydajność systemu napędowego oraz układu kontroli orientacji. Dało to większe możliwości zmian orbity oraz kontroli pozycjonowania instrumentów naukowych. Sondę zaopatrzono ponadto w zestaw kamer inżynieryjnych, monitorujących działanie różnych jej komponentów, między innymi silników.

WYPOSAŻENIE

Instrumenty naukowe sondy Chang’e 2 zostały umieszczone na ścianie pojazdu, która w czasie badań Księżyca jest skierowana w stronę nadiru. Aparatura naukowa została częściowo zaadoptowana z satelitów teledetekcyjnych Zi Yuan. Do wyposażenia naukowego pojazdu Chang’e 2 zaliczają się: detektor promieniowania mikrofalowego (Chang’e Lunar Microwave Sounder – CELMS); spektrometr promieniowania gamma i promieniowania rentgenowskiego (Gamma/X-Ray Spectrometer – GXRS); wysokościomierz laserowy (Laser Altimeter – LA); optyczny system obrazujący (Optical Imaging System – OIS); oraz system monitoringu środowiska kosmicznego (Space Environment Monitor System – SEMS).

CELMS

Detektor promieniowania mikrofalowego pozwala na określenie grubości regolitu na powierzchni Księżyca. Urządzenie zbiera ponadto informacje na temat temperatury powierzchni oraz rozkładu helu 3. Dane te mają istotne znaczenie dla badań geologii i ewolucji Księżyca.

Instrument jest identyczny z analogicznym urządzeniem Chang’e 1. Jednak powiększona zdolność gromadzenia i transmisji danych oraz niższa orbita znacznie zwiększyły wartość dostarczanych przez niego danych.

CELMS jest radiometrem promieniowania mikrofalowego i milimetrowego. Wykonuje pomiary promieniowania mikrofalowego i milimetrowego z powierzchni Księżyca. Emisja mikrofalowa z powierzchni jest funkcją stałej dielektrycznej powierzchni, temperatury, długości fali, grubości regolitu i kąta widzenia. Jasność w zakresie odbieranego promieniowania pozwala na określenie temperatury regolitu, która natomiast pozwala na oszacowanie grubości jego warstwy. Pozwala to na określenie grubości rumoszu powierzchniowego w różnych obszarach Księżyca. Instrument działa w 4 zakresach częstotliwości – 3, 7.8, 19.35 i 37 GHz. Każdy kanał składa się z osobnego odbiornika oraz anteny kalibracyjnej, pozwalającej na usunięcie z danych promieniowania mikrofalowego z przestrzeni kosmicznej.

GXRS

Spektrometr promieniowania gamma i promieniowania rentgenowskiego pozwala na wykonanie map składu pierwiastkowego powierzchni Księżyca, obejmujących pierwiastki K, Th, U, O, Si, Mg, Al, Ca, Te, Ti, Na, Mn, Cr, La. Dane te pozwalają na badania geologiczne powierzchni Księżyca oraz oceny jego zasobów mineralnych. Pomiary rozkładu frakcji KREEP pozwalają na badania takich procesów jak zderzenia, akumulacja materii wyrzuconej podczas impaktów na powierzchni oraz modyfikacje materiału powierzchniowego. Badania rozmieszczenia głównych pierwiastków promieniotwórczych (U, K, Th) pozwalają na badania powstania Księżyca i jego ewolucji. Ponadto są istotne dla badań struktury wewnętrznej Księżyca i składu skorupy oraz płaszcza.


Pogląd na komponenty instrumentu GXRS.

Instrument jest identyczny z GXRS Chang’e 1. Niższa orbita zwiększyła jednak jego rozdzielczość, co wraz z wyższą wydajnością systemu komunikacyjnego znacznie zwiększyło wartość dostarczanych przez niego danych.

System ten składa się z detektorów promieniowania rentgenowskiego (X-Ray Spectrometer – XRS) i gamma (Gamma-Ray Spectrometer – GRS). Wykonuje pomiary promieniowania X i gamma emitowanego na drodze fluorescencji przez atomy na powierzchni Księżyca wzbudzone przez wysokoenergetyczne promieniowanie słoneczne i kosmiczne. Energia tego promieniowania jest charakterystyczna dla każdego pierwiastka, co umożliwia stwierdzenie jego obecności oraz koncentracji w warstwie powierzchniowej. Ponadto rejestruje promieniowanie wytwarzane przez pierwiastki promieniotwórcze.

System detektorów promieniowania rentgenowskiego XRS składa się ze scyntylatora, kolimatora, układu zbierającego dane i kontrolera. Kolimator chroni detektor scyntylacyjny przed promieniowaniem kosmicznym i słonecznym.

System detektorów promieniowania gamma GRS obejmuje scyntylator główny i scyntylator osłaniający (Anticoincidence Schield Scintillator – ACS). Głównym scyntylatorem jest kryształ CsI z dodatkiem talu o wymiarach 11.8 x 7.8 cm. Impulsy świetlne wytwarzane przez fotony gamma na scyntylatorze są odbierane przez fotopowielacze. Detektor główny jest monitorowany przez 5 fotopowielaczy, a detektor osłaniający – przez 3 fotopowielacze. Uzyskany sygnał jest wzmacniany przez wzmacniacz sygnału i wysłany do układu obróbki danych z detektorów. GRS został zamontowany we wnętrzu statku, co chroni go przed promieniowaniem gamma z przestrzeni kosmicznej. Sam statek jednak również produkuje tło gamma, więc konieczne było zastosowanie scyntylatora osłaniającego. Jest on wykonany z CsI. Ma średnicę 17.8 cm i wysokość 10.8 cm. System produkuje dwa rodzaje spektrogramów – 512 kanałowy spektrogram z detektora głównego oraz 256 kanałowy spektrogram z ACS.

Instrument działa w 2 zakresach energii: 0.5 eV – 60keV dla promieniowania rentgenowskiego i 300 keV – 9 MeV dla promieniowania gamma. Do pomiarów zawartości pierwiastków Th, U i K wykorzystywane są pomiary promieniowania rentgenowskiego, dla pierwiastków Na, S i Ni – pomiary promieniowania gamma, a dla Fe, Ti, Al i Mg – obie techniki.

LA

Wysokościomierz laserowy pozwala wykonanie map topograficznych powierzchni Księżyca. W skład urządzenia wchodzi nadajnik laserowy oparty na diodzie laserowej i odpowiednim układzie optycznym; oraz odbiornik. Urządzenie jest w zasadzie identyczne z analogicznym instrumentem Chang’e 1. Zostało jednak zoptymalizowane do dokładnych pomiarów topograficznych podczas przelotów nad potencjalnymi strefami lądowań. W trakcie takich przelotów częstotliwość emisji impulsów wynosi 5 Hz. W przypadku wysokościomierza LA Chang’e 1 wynosiła ona 1 Hz. Rozszerzona zdolność gromadzenia i transmisji danych oraz niższa orbita znacznie zwiększyły również wartość dostarczanych przez niego danych.


Podgląd na instrument LA.

Dioda laserowa nadajnika systemu LA poprzez układ optyczny emituje impulsy laserowe na powierzchnię Księżyca. Impulsy wysłane w ten sposób odbijają się od powierzchni i powracają do instrumentu, gdzie są rejestrowane przez odbiornik wyposażony w teleskop. Dzięki pomiarom czasu powrotu impulsu, przy wzięciu pod uwagę rozpraszania sygnału przez nachylenie i szorstkość powierzchni oraz wewnętrznych opóźnień instrumentu, uzyskiwane są pomiary odległości sondy do powierzchni Księżyca. Tym samym wyprowadzana jest wysokość utworów powierzchniowych.

OIS

Optyczny system obrazujący pozwala na badania struktury i składu mineralnego powierzchni Księżyca. W skład systemu wchodzi stereoskopowa kamera CCD (CCD Stereo Camera) oraz system obróbki danych.

Kamera CCD pozwala na uzyskiwanie stereoskopowych obrazów powierzchni Księżyca w celu poznania struktury form powierzchniowych, wykonania ogólnych badań geologicznych powierzchni Księżyca; oraz zaplanowania miękkich lądowań na powierzchni. W skład tego urządzenia wchodzi układ optyczny (Optical System) skupiający światło na systemie detektora CCD (CCD Detector System). Elementy optyczne są umieszczone na wspólnym układzie podpierającym.


Pogląd na instrument OIS.

System optyczny skupia światło na systemie płaszczyzny ogniskowej, wyposażonej w 2 detektory CCD produkujące obrazy. Jeden z detektorów jest skierowany w tył , a drugi w przód w stosunku do ruchu orbitalnego satelity. W stosunku do Chang’e 1 usunięto detektor skierowany w stronę nadiru. Oba detektory są dwuwymiarowe, ale obraz jest budowany w trybie Pushbroom. Obraz jest tworzony linia po linii w czasie ruchu orbitalnego statku. Złożenie obrazów uzyskanych pod różnymi kątami pozwala na uzyskanie danych topograficznych. Tak więc jednorazowo uzyskiwane są 2 obrazy, których obróbka pozwala na uzyskanie obrazów stereoskopowych oraz cyfrowych modeli ukształtowania terenu. Szerokość pasa terenu obrazowanego z orbity nominalnej wynosi 13 km.


Pogląd na instrument OIS.

Instrument OIS posiada własny układ obróbki sygnału z detektorów, a ponadto współdzieli z innymi składnikami ładunku użytecznego sondy wspólny system zarządzania danymi (Payload Data Management System – PDMS). System ten pozwala na wysyłanie komend do instrumentów, kontrolę ich stanu, oraz zarządzanie dostarczanymi danymi.

W stosunku do Chang’e 1 z systemu OIS usunięto interferometr obrazujący (Imaging Interferometer – IM). Ponadto kamera została zmodyfikowana w celu zwiększenia rozdzielczości przestrzennej. Z wysokości 100 km rozdzielczość wynosi 10 metrów na piksel, jest więc ponad 10 razy większa od rozdzielczości kamery Chang’e 1 z wysokości 200 km. Rozdzielczość przestrzenna obrazów uzyskanych dla całego globu wynosi średnio 7 m na piksel. W przypadku Sinus Iridum, rozważanej jako miejsce lądowania Chang’e 3 niskie przeloty pozwalają na uzyskanie obrazów o rozdzielczości nawet 1.5 m na piksel.

SEMS

System monitoringu środowiska kosmicznego służy do pomiarów energii cząstek wiatru słonecznego w czasie lotu na Księżyc i na orbicie okołoksiężycowej. Pozwala to na badania środowiska plazmowego w okolicach Księżyca i jego zmian związanych z aktywnością słoneczną.

Urządzenie jest identyczne z analogicznym instrumentem Chang’e 1. W jego skład wchodzą 2 komponenty: detektor cząstek słonecznych o wysokich energiach (High-Energy Solar Particle Detector – HESPD) oraz detektor jonów o niskich energiach (Low-Energy Ion Detector – LEID).

Detektor cząstek o wysokich energiach HESPD pozwala na wykonywanie pomiarów energii protonów, jonów i elektronów, wchodzących w skład wiatru słonecznego. Wynikiem pomiarów jest spektrogram energii tych cząstek. Urządzenie rejestruje protony w całkowitym zakresie energii 4 MeV – 400 MeV w 6 kanałach: P1 4 MeV – ok. 8 MeV, P2 8 MeV – ok. 15 MeV, P3 15 MeV – ok. 32 MeV, P4 32 MeV – ok. 70 MeV, P5 70 MeV – ok. 160 MeV oraz P6 160 MeV – ok. 400 MeV. Może rejestrować takie jony jak He (przy energiach 13 MeV – ok. 130 MeV), Li (przy energiach 34 MeV – ok. 260 MeV) i C (przy energiach 117 MeV – 730 MeV). Elektrony są rejestrowane w 2 kanałach energetycznych – E1 ≥ 0.095 MeV oraz E2 2.2 MeV. Cały system składa się z 6 sensorów i osobnej jednostki obróbki danych.

Detektor jonów o niskich energiach LEID składa się z dwóch głowic. Każda z nich obejmuje kolimator, analizator jonów oraz sensor w postaci płyty z mikrokanałami (Microchannel Plate – MCP) wraz ze wzmacniaczem sygnału. Urządzenie pozwala na wykonywanie pomiarów energii jonów wchodzących w skład wiatru słonecznego. Pomiary są prowadzone w zakresie energii od 0.5 do około 20 keV.

PRZEBIEG MISJI

Start sondy Chang’e 2 był wstępnie planowany na koniec 2010r. Podczas przygotowań do misji nie nastąpiły poważniejsze utrudnienia. Pojazd wystartował zgodnie z planem, dnia 1 października 2010r o godzinie 10:59:57.345 UTC. Miejscem startu był kosmodrom Xichang, platforma startowa LC2. Rakietą nośną był Chang Zheng 3C. Pierwsze 2 stopnie oraz pierwsze uruchomienie stopnia 3 umieściły pojazd na parkingowej orbicie okołoziemskiej na wysokości 200 km. Następnie drugie uruchomienie stopnia 3 skierowało sondę na trajektorię transkiężycową. Nastąpiło to po 24 minutach i 1 sekundzie po starcie. Potem pojazd oddzielił się od rakiety i prawidłowo rozłożył panele słoneczne.

W czasie lotu do Księżyca uruchomione zostały detektory cząstek wiatru słonecznego. 2 października o godzinie 04:25 UTC odbyła się korekta trajektorii. Sonda uruchomiła silniki na 70 sekund.

Manewr wejścia na orbitę Księżyca odbył się 6 października, czyli tylko po 5 dniach od startu. Rozpoczął się on o godzinie 03:06:14 UTC, kiedy to silniki sondy zostały uruchomione na okres 32 minut, co zmniejszyło jej szybkość na tyle, że mogła zostać wychwycona przez pole grawitacyjne Księżyca. Zmiana szybkości wyniosła 414.03 m/s. Orbita początkowa charakteryzowała się perycentrum na wysokości 119.4 km, apocentrum 8 599.2 km, okresem obiegu 12 godzin i nachyleniem w stosunku do równika 90°.

8 października odbył się manewr obniżający apocentrum do 1830 km. Trwał on 17 minut i rozpoczął się o 02:45 UTC. 9 października odbył się drugi manewr, ukoławiający orbitę. Trwał on 15 minut i rozpoczął się o 03:17 UTC. Nowa orbita charakteryzowała się peycentrum na wysokości 100.8 km i apocentrum 102.6 km. Następnie uruchomione zostały instrumenty naukowe, w tym kamera.

26 października odbył się manewr obniżający perycentrum do 15 kilometrów. Był on testem inżynieryjnym, a ponadto pozwolił na wykonanie zdjęć o wysokiej rozdzielczości i pomiarów topograficznych miejsc przyszłych lądowań.

Czas trwania misji jest zaplanowany na 6 miesięcy. Orbiter przeprowadzi w tym czasie badania powierzchni Księżyca oraz obserwacje pod kątem przyszłych misji powierzchniowych. Prawdopodobnie przeprowadzi też symulację wejścia na trajektorię lądowania. Obecnie rozważane są 3 scenariusze zakończenia misji – kontrolowany spadek na powierzchnię Księżyca, powrót na orbitę okołoziemską, albo przejście na orbitę okołosłoneczną. W przypadku wejścia na orbitę heliocentryczną przeprowadzone zostałyby testy łączności na potrzeby misji sond marsjańskich.

Wątek o misji na astronautycznym forum: link.

Share.

Comments are closed.