Twee stoere, veerkrachtige NASA-ruimtevaartuigen de afgelopen zes en een half jaar in een baan om de aarde cirkelen, herhaaldelijk door een gevaarlijke zone van geladen deeltjes vliegen die bekend staat als de Van Allen-stralingsgordels. De tweeling Van Allen Probes hebben wetenschappelijke theorieën bevestigd en nieuwe structuren onthuld, composities, en processen aan het werk in deze dynamische regio's.

In februari, het missie-operatieteam van Van Allen Probes in het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory - waar de sondes werden ontworpen en gebouwd - begon een reeks van baanafdaalmanoeuvres die de satellieten zullen positioneren voor een uiteindelijke terugkeer in de atmosfeer van de aarde in ongeveer 15 jaar.

"Op de nieuwe hoogte, aerodynamische weerstand zal de satellieten naar beneden halen en uiteindelijk verbranden in de bovenste atmosfeer, " zei Nelli Mosavi, projectmanager voor de Van Allen Probes bij APL. "Onze missie is om geweldige wetenschappelijke gegevens te verkrijgen en ook om ervoor te zorgen dat we meer ruimteschroot voorkomen, zodat de volgende generaties de mogelijkheid hebben om ook de ruimte te verkennen."

Oorspronkelijk bedoeld als een tweejarige missie omdat niemand geloofde dat een ruimtevaartuig langer zou kunnen overleven in de harde stralingsgordels die de aarde omringen, deze robuuste ruimtevaartuigen hebben sinds 2012 zonder incidenten gewerkt en blijven baanbrekende ontdekkingen over de Van Allen-gordels mogelijk maken.

"Het ruimtevaartuig en de instrumenten hebben ons ongelooflijk inzicht gegeven in de operaties van ruimtevaartuigen in een omgeving met veel straling, "Zei Mosavi. "Iedereen op de missie voelt een echt gevoel van trots en prestatie in het werk dat we hebben gedaan en de wetenschap die we aan de wereld hebben geleverd, zelfs als we beginnen met de de-orbiting-manoeuvres."

Een barre omgeving

De stralingsgordels van de aarde bestaan ​​uit energetische deeltjes - protonen en elektronen - die vastzitten in een eeuwige baan rond de planeet.

"We weten dat andere planeten in ons zonnestelsel met magnetische velden stralingsgordels hebben, " zei Sasha Ukhorskiy, een projectwetenschapper bij APL. "We kunnen aannemen dat andere lichamen in het universum dat ook doen. Door de gordels en de fysica die ermee verbonden is hier op aarde te bestuderen, en onze wereld gebruiken als een natuurlijk laboratorium, we kunnen leren hoe deze structuren functioneren rond andere objecten in het universum met magnetische velden."

Het magnetische veld rond de aarde creëert een bel die bekend staat als de magnetosfeer, die de planeet beschermt tegen plasma-ontploffingen die door de zon worden uitgezonden. Maar het dient ook om deeltjes op te vangen en kan uiteindelijk deze hoogenergetische deeltjespopulaties vestigen in stralingsgordels rond de aarde.

In deze bijna-aardse omgeving vindt een complexe keten van processen plaats, gedraagt ​​zich als een gigantische deeltjesversneller en versnelt sommige deeltjes tot bijna de lichtsnelheid - meer dan 670 miljoen mijl per uur. Deze sterk geactiveerde deeltjes in de stralingsgordels kunnen een aantal gevaren vormen voor ruimteoperaties, omdat ze gevoelige elektronica kunnen beschadigen.

Tijdens zonnestormen, omstandigheden verslechteren, en de riemen kunnen opzwellen, nabij ruimtevaartuig bedreigen.

"Ons magnetisch veld beschermt ons redelijk goed tegen deze zonne-uitbarstingen, " zei David Sibeck, een missiewetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "Maar een deel van hun energie dringt diep door in het veld van de aarde en, via verschillende mechanismen, activeert de stralingsgordels. Wanneer dat gebeurt, ruimtevaartuigen in de gordels moeten beter uitkijken:problemen liggen in het verschiet in de vorm van kortsluiting, verstoord computergeheugen, en instrument falen."

De Van Allen-sondes zijn ontworpen en gebouwd om bestand te zijn tegen deze extreme omgeving - en zelfs hun bouwers waren verrast door hun vermogen om zulke zware omstandigheden te weerstaan.

"In de afgelopen zes en een half jaar de Van Allen-sondes hebben drie volledige circuits rond de magnetosfeer voltooid, en meer dan 100 aardmagnetische stormen gemeten, " zei Ukhorskiy. "De Van Allen Probes hebben eerder voorgestelde theorieën geverifieerd en gekwantificeerd, ontdekte nieuwe mechanismen die populaties van energetische deeltjes in de buurt van de aarde kunnen vormen, en gebruikten unieke instrumenten om onverwachte functies te onthullen die bijna onzichtbaar waren voor eerdere sensoren."

De informatie over deeltjes en golven die door de Van Allen Probes wordt geleverd, is een schatkamer gebleken voor ruimtefysica-onderzoek. Bevindingen en observaties omvatten meerdere riemstructuren, inclusief een derde gordel die kort na de lancering werd waargenomen; definitieve antwoorden over deeltjesversnellingsprocessen; en de ontdekking van een bijna ondoordringbaar barrièregebied dat verhindert dat de snelste en meest energetische elektronen de aarde bereiken.

"De gegevens van de Van Allen Probes hebben geleid tot meer dan 560 artikelen die zijn gepubliceerd in peer-reviewed wetenschappelijke tijdschriften sinds de lancering van de missie, " zei Ukhorskiy. "De meeste van deze artikelen worden geleid door auteurs die niet direct verbonden zijn met de wetenschappelijke teams van de missie. En de publicatiesnelheid is gestaag gegroeid sinds de lancering van de missie; elke vier dagen, een nieuw artikel wordt gepubliceerd in een internationaal peer-reviewed tijdschrift."

Gebouwd om te overleven

Sinds hun lancering vanaf Cape Canaveral Air Force Station, Florida, op 30 aug. 2012, de tweeling Van Allen-sondes hebben wetenschappers een ongekende kijk gegeven in de make-up en processen in de riemen. De sondes, bekend als ruimtevaartuigen A en B, waren de eerste ruimtevaartuigen die waren ontworpen om jarenlang in de stralingsgordels te opereren en deze te bestuderen. een regio die de meeste ruimtevaartuigmissies vermijden vanwege de schaderisico's van het milieu.

"Het ontwerpen van het ruimtevaartuig en de instrumenten om bestand te zijn tegen een zeer ruwe stralingsomgeving was de moeilijkste uitdaging voor Van Allen Probes tijdens het ontwerp en de ontwikkeling, " zei Rick Fitzgerald, die van 2007 tot 2012 de projectmanager van de missie was bij APL. "Straling kan schade aan elektronica veroorzaken, leidend tot grillig gedrag of regelrechte mislukking. We hebben het risico op falen verlaagd door een rigoureus ontwerpbeoordelingsproces, zorgvuldige selectie van elektronische onderdelen, en uitgebreide onderdelen- en materiaaltesten."

Om de gevoelige elektronica van het ruimtevaartuig te beschermen, het team voegde schilden toe rond de instrumenten om de accumulatie van elektrische ladingen te voorkomen. "Alle geïntegreerde schakelingen zijn ontworpen om te overleven in de gordels, en het ruimtevaartuig heeft een systeem voor foutenbeheer en autonomie, die de effecten van het milieu verzacht door elektronica te resetten als reactie op effecten van één gebeurtenis, " zei Kristin Fretz van APL, mission system engineer van 2013 tot 2018.

Het ontwerp is de uitdaging aangegaan.

"We hebben heel weinig tijdelijke fouten of 'storingen' van onze elektronica in een baan om de aarde gehad, en tot op heden geen storingen in de elektronicabox, " zei Fitzgerald. "Dit is de echte bevestiging van al het harde werk dat vóór de lancering in het ontwerp- en testprogramma is gestoken."

Door de lange levensduur en veerkracht van het ruimtevaartuig en de instrumenten leveren ze niet alleen nog steeds grote hoeveelheden gegevens aan de aarde, ze leren ook ruimtevaartuigingenieurs over operaties in de gordels.

"De Van Allen-sondes zijn in wezen een live-testfaciliteit geworden om te begrijpen hoe elektronica en materialen harde straling kunnen overleven, Fitzgerald zei. "De zes en een half jaar in een baan om de aarde leveren nieuwe gegevens op die kunnen worden gebruikt in de modellen die bepalen hoe ze moeten worden geproduceerd, hoe te selecteren, en hoe de prestaties van onderdelen en materialen in een baan om de aarde te voorspellen."

Laatste manoeuvres

Het ruimtevaartuig blijft optimaal functioneren, en drijfgasvoorraden zijn er in overvloed. Echter, NASA-voorschriften vereisen dat alle ruimtevaartuigen na een periode van 25 jaar vanaf het einde van de missie gecontroleerd uit hun baan worden gebracht en uit de baan worden verwijderd. Om aan deze eis te voldoen, het Van Allen Probes-team begon in 2017 met plannen om het ruimtevaartuig in banen te laten zakken die uiteindelijk zouden vervallen en leiden tot de terugkeer door de atmosfeer, ze veilig te desintegreren.

"Als we deze manoeuvres niet zouden doen, de Van Allen-sondes zouden honderden of duizenden jaren in een baan blijven, een potentieel probleem vormen voor toekomstige satellietactiviteiten, " zei Justin Atchison van APL, Van Allen Probes missie ontwerper.

Om het ruimtevaartuig te laten zakken, het missie-operatieteam moet de manoeuvres uitvoeren op een zeer specifiek punt in de baan en in een bepaalde tijd van het jaar, en moet de operatie in fasen uitvoeren, in plaats van één lange motorbrand.

"We moeten manoeuvreren wanneer de satellieten zich in hun hoogste baan om de aarde bevinden, of wat bekend staat als apogee, "Zei Atchison. "Idealiter, we zouden de hele baanverandering in één enkele manoeuvre op één dag doen. Echter, we worden beperkt door het vermogen van de stuwraketten, die meestal alleen worden gebruikt voor zeer kleine manoeuvres om de baan of het richten enigszins aan te passen. We moeten de manoeuvre dus opdelen in kleinere segmenten om het doel te bereiken."

Het team heeft de campagne voor het verlagen van de baan gerepeteerd en geoefend en is klaar om aan deze nieuwe fase van het leven van de missie te beginnen.

"De missie van Van Allen Probes heeft geweldig werk verricht door de stralingsgordels te karakteriseren en ons de uitgebreide informatie te verschaffen die nodig is om af te leiden wat er in hen gebeurt, Sibeck zei. "Meer dan zes jaar non-stop opwinding en ontdekkingen die ons voorzien van de informatie die nodig is om ervoor te zorgen dat ruimtevaartuigen kunnen overleven in enkele van de zwaarste omgevingen die de mensheid kent. In feite, het voortbestaan ​​van deze ruimtevaartuigen en al hun instrumenten, vrijwel ongeschonden, na al die jaren is een prestatie en een les geleerd over het ontwerpen van ruimtevaartuigen."