Op 9 februari 2017, NASA's Magnetospheric Multiscale-missie, bekend als mms, begon aan een drie maanden durende reis naar een nieuwe baan. MMS vliegt in een zeer elliptische baan rond de aarde en de nieuwe baan zal MMS twee keer zo ver brengen als voorheen. In de nieuwe baan, waarmee de tweede fase van zijn missie begint, MMS zal doorgaan met het in kaart brengen van de fundamentele kenmerken van de ruimte rond de aarde, ons helpen dit belangrijke gebied te begrijpen waar onze satellieten en astronauten doorheen reizen. MMS zal rechtstreeks door regio's vliegen - waar gigantische explosies plaatsvinden die magnetische herverbinding worden genoemd - die nog nooit eerder in hoge resolutie zijn waargenomen.

Gelanceerd in maart 2015, MMS gebruikt vier identieke ruimtevaartuigen om magnetische herverbinding in kaart te brengen - een proces dat optreedt wanneer magnetische velden botsen en explosief opnieuw worden uitgelijnd op nieuwe posities. Wetenschappers en ingenieurs van NASA vliegen MMS in een ongekend dichte formatie waardoor de missie door gebieden kan reizen waar de magnetische velden van de zon interageren met de magnetische velden van de aarde, maar het is verre van eenvoudig om vier ruimtevaartuigen in formatie te houden.

"Dit is een van de meest gecompliceerde missies die Goddard ooit heeft gedaan op het gebied van vluchtdynamiek en manoeuvres, " zei Mark Woodard, MMS-missiedirecteur bij NASA's Goddard Flight Space Center in Greenbelt, Maryland. "Niemand heeft ooit zo'n formatievlucht gemaakt."

Om een ​​driedimensionaal beeld van herverbinding te vormen, de missie vliegt vier afzonderlijke satellieten in een piramideformatie die een tetraëder wordt genoemd. Terwijl een eerdere gezamenlijke ESA (European Space Agency)/NASA-missie in een vergelijkbare formatie vloog, MMS is de eerste die in zo'n extreem krappe formatie vliegt - gemiddeld slechts vier mijl uit elkaar. Door deze nauwe scheiding aan te houden, kunnen kaarten met een hoge resolutie worden gemaakt, maar wordt het vliegen van MMS een extra uitdaging. wat al een complexe onderneming is.

Een ruimtevaartuig vliegen, zoals men zou vermoeden, is niets als autorijden. In plaats van zich te concentreren op slechts twee dimensies - links en rechts, vooruit en achteruit - u moet ook op en neer overwegen. Voeg daaraan toe, het houden van de vier MMS-ruimtevaartuigen in de specifieke tetraëdrische formatie die nodig is voor driedimensionale mapping, en je hebt een hele uitdaging. En vergeet niet om ruimtepuin en andere ruimtevaartuigen te vermijden die je pad kunnen kruisen. Oh, en elk ruimtevaartuig draait als een tol, een nieuwe laag toevoegen aan de duizelingwekkende complexiteit.

"Typisch, het duurt ongeveer twee weken om de hele procedure voor het ontwerpen van manoeuvres te doorlopen, " zei Trevor Williams, MMS-vluchtdynamiek leidt bij NASA Goddard.

Williams leidt een team van ongeveer een dozijn ingenieurs om ervoor te zorgen dat de baan van MMS op schema blijft. Tijdens een normale werkweek, de manoeuvres, die vooraf zorgvuldig zijn ontworpen en berekend, worden aan het begin van de week in een vergadering afgerond.

Om de locatie te berekenen, MMS maakt gebruik van GPS, net als een smartphone. Het enige verschil is dat deze GPS-ontvanger ver boven de aarde is, hoger dan de GPS-satellieten die de signalen uitzenden.

"We gebruiken GPS om iets te doen waarvoor het niet is ontworpen, maar het werkt, ' zei Woodard.

Aangezien GPS is ontworpen met aardgebonden gebruikers in gedachten, signalen worden naar beneden uitgezonden, waardoor het moeilijk is om van bovenaf te gebruiken. Gelukkig, signalen van GPS-satellieten worden op grote schaal verzonden om de hele planeet te bedekken en als gevolg daarvan sluipen sommigen van de andere kant van de planeet rond de aarde en gaan verder de ruimte in, waar MMS ze kan observeren. Met behulp van een speciale ontvanger die zwakke signalen kan opvangen, MMS kan constant GPS-contact houden. Het ruimtevaartuig gebruikt de GPS-signalen om automatisch hun locatie te berekenen, die ze naar het hoofdkwartier van de vluchtleiding in Goddard sturen. De ingenieurs gebruiken die positionering vervolgens om de manoeuvres voor de banen van het ruimtevaartuig te ontwerpen.

Hoewel de baan voor elk MMS-ruimtevaartuig bijna identiek is, er zijn kleine aanpassingen nodig om het ruimtevaartuig in een strakke formatie te houden. De ingenieurs vertrouwen ook op rapporten van NASA's Conjunction Assessment Risk Analysis, die de locaties van ruimtepuin identificeert en een melding geeft wanneer objecten, als een oude communicatiesatelliet, zou het pad van MMS kunnen kruisen. Hoewel er nog niets in gevaar is geweest voor een botsing met MMS, de bemanning heeft een voorbereid back-upplan - een ontwijkmanoeuvre - mocht dat nodig zijn.

Op geplande woensdagen, één of twee per maand, de commando's worden naar het ruimtevaartuig gestuurd om de tetraëdrische formatie aan te passen en de nodige aanpassingen aan de baan aan te brengen. Deze commando's vertellen MMS om zijn stuwraketten in korte bursts af te vuren, voortstuwen van het ruimtevaartuig naar de beoogde locatie.

Het verplaatsen van MMS is een langzaam proces. Elk ruimtevaartuig is uitgerust met stuwraketten die vier pond stuwkracht leveren, maar ze wegen ook bijna een ton per stuk. Het ruimtevaartuig draait allemaal als toppen, dus de timing van elke burst moet precies worden gesynchroniseerd om het ruimtevaartuig in de goede richting te duwen.

De volgende dag, zodra het ruimtevaartuig zich op de juiste plaats bevindt, een tweede ronde van commando's wordt gegeven om de stuwraketten in de tegenovergestelde richting af te vuren, om het ruimtevaartuig in formatie te fixeren. Zonder deze opdracht het ruimtevaartuig zou hun beoogde posities voorbijschieten en uit elkaar drijven zonder weerstand te bieden om ze te stoppen.

In tegenstelling tot vliegtuigen, die constant hun motoren afvuren om in beweging te blijven, het ruimtevaartuig vertrouwt op hun momentum om ze rond hun baan te vervoeren. Slechts korte uitbarstingen van hun stuwraketten, duurt slechts een paar minuten, zijn nodig om hun formatie te behouden en kleine aanpassingen aan de baan aan te brengen.

"We besteden 99,9 procent van de tijd aan het uitrollen omdat we zuinig moeten zijn met brandstof. ' zei Willems.

Gelanceerd met 904 pond brandstof, het ruimtevaartuig heeft in de eerste twee jaar van gebruik slechts ongeveer 140 pond gebruikt. Echter, het verzenden van MMS in een bredere baan voor de tweede fase zal ongeveer de helft van de resterende brandstof verbruiken - en er zijn geen benzinestations in de ruimte om bij te tanken. De operationele bemanning plant elke manoeuvre zorgvuldig om het brandstofverbruik tot een minimum te beperken. Typische manoeuvres kosten minder dan een halve pond brandstof en de bemanning hoopt dat hun inspanningen om brandstof te besparen MMS genoeg brandstof zullen besparen om uitgebreide studies na het einde van de primaire missie mogelijk te maken.

De nieuwe elliptische baan zal MMS bij de dichtste nadering tot binnen 600 mijl boven het aardoppervlak brengen, en tot ongeveer 40 procent van de afstand tot de maan. Eerder, het ruimtevaartuig ging slechts een vijfde (20 procent) van de afstand tot de maan uit.

In de eerste fase van de missie MMS onderzocht de zonzijde van de magnetosfeer van de aarde, waar de magnetische veldlijnen van de zon aansluiten op de magnetische veldlijnen van de aarde, waardoor materiaal en energie van de zon naar de ruimte nabij de aarde kan stromen. In de tweede fase, MMS gaat door de nachtzijde, waar wordt gedacht dat herverbinding aurora's veroorzaakt.

Behalve dat het ons helpt onze eigen ruimteomgeving te begrijpen, leren over de oorzaken van magnetische herverbinding werpt licht op hoe dit fenomeen zich in het hele universum voordoet, van aurora's op aarde, tot fakkels op het oppervlak van de zon, en zelfs naar gebieden rond zwarte gaten.

Hoewel MMS zijn tetraëdrische formatie niet zal behouden als het naar zijn nieuwe baan gaat, het zal doorgaan met het nemen van gegevens over de omgevingen waar het doorheen vliegt. De operatieploeg verwacht dat MMS op 4 mei zijn nieuwe baan zal bereiken. 2017, op dat moment zal het weer in formatie zijn en klaar om nieuwe 3D-wetenschappelijke gegevens te verzamelen, omdat zijn elliptische baan het door specifieke gebieden voert waarvan wordt gedacht dat het plaatsen zijn voor magnetische herverbinding.