GRACIA | |
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inglés Experimento de Recuperación de Gravedad y Clima | |
Fabricante | Sistema satelital Dornier |
Operador | NASA y el Centro Aéreo y Espacial Alemán |
Tareas | estudio del campo gravitatorio de la tierra |
Satélite | Tierra |
plataforma de lanzamiento | Plesetsk , sitio №133 |
vehículo de lanzamiento | retumbar [1] |
lanzar | 17 de marzo de 2002 UTC 09:21:27 |
ID de NSSDCA | 2002-012A |
SCN | 27391 |
Precio | $ 127 millones (en el lanzamiento) |
Especificaciones | |
Plataforma | autobús flexible |
Peso | 474 kg |
Elementos orbitales | |
tipo de órbita | órbita circumpolar |
Estado animico | 89° |
Período de circulación | 94 minutos |
Altitud orbital | ≈500 kilómetros |
grace.jpl.nasa.gov_ _ | |
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GRACE ( Eng. Gravity Recovery And Climate Experiment ) [2] es una misión satelital conjunta de la NASA y el Centro Alemán de Aviación y Cosmonáutica , cuyo objetivo es estudiar el campo gravitatorio de la Tierra y sus variaciones temporales asociadas, en particular, a los procesos de cambio climático .
GRACE mapea el campo gravitacional midiendo la posición de dos satélites idénticos en órbita polar a una altitud de 500 km. Dos satélites ( NSSSDC ID : 2002-012A y 2002-012B ) fueron lanzados desde el cosmódromo de Plesetsk el 17 de marzo de 2002.
Los satélites intercambian continuamente señales de radio en el rango de microondas, lo que hace posible rastrear los cambios en la distancia entre ellos con una precisión de micras. El movimiento y la orientación adecuados de los satélites se registran mediante receptores GPS , acelerómetros y rastreadores de estrellas . Además, los satélites están equipados con reflectores de esquina para su uso en la medición de distancia por láser satelital .
Los satélites sobrevuelan cada parte de la Tierra aproximadamente una vez al mes, lo que permite rastrear los movimientos naturales de masas (principalmente asociados al ciclo del agua en la naturaleza ).
El concepto del experimento se propuso a mediados de la década de 1970, pero el nivel tecnológico general no permitió su implementación. La idea del experimento era la siguiente: dos satélites idénticos (a menudo llamados Tom y Jerry , por los héroes de la serie de dibujos animados cortos del mismo nombre, que constantemente se persiguen), volando uno tras otro en una órbita con un distancia de 220 km, debe medir con extrema precisión la distancia entre ellos. Moviéndose a lo largo de una órbita polar , los satélites experimentarán el efecto gravitacional de las heterogeneidades de masa en la superficie y debajo de la superficie de la Tierra. Para rastrear las oscilaciones de los satélites entre sí, se deben ubicar a bordo acelerómetros y telémetros de alta precisión. Así que la distancia tenía que medirse con una precisión de unas 10 micras . Se supuso que los cambios en el campo gravitatorio de la Tierra permitirían evaluar el movimiento de las masas de agua en los océanos, incluidas las corrientes profundas y superficiales, el intercambio de masas entre los glaciares y los océanos, así como los procesos geológicos bajo la superficie de la Tierra . 3] . Se esperaba que la resolución espacial de los mapas de gravedad obtenidos a partir de los datos del experimento GRACE fuera de unos 300 km, unas 100 veces superior a los modelos que existían al inicio del programa. Se planificó que los mapas de gravedad se actualizaran una vez al mes. Los datos obtenidos durante la misión GRACE debían ser proporcionados gratuitamente a organizaciones científicas en diferentes países. [4] .
Algunos analistas sugirieron la posibilidad de utilizar los datos obtenidos durante el experimento GRACE con fines militares [4] :
Además del experimento principal, se planeó realizar un experimento adicional sobre la transiluminación de la atmósfera con señales de radio en el rango de GPS. El propósito del experimento fue estudiar el efecto de la absorción y la refracción en las características de la señal recibida por la nave espacial [4] .
Se expresaron opiniones de que este experimento también podría tener un enfoque militar: se supuso que el procesamiento de estadísticas sobre navegación por satélite utilizando el sistema GPS y la identificación de características de la influencia de la atmósfera en el uso del GPS ayudaría en el desarrollo de sistemas de control para vehículos de lanzamiento y misiles balísticos [4] .
En general, según los resultados de la misión GRACE, se podría esperar la creación de una base teórica para la investigación militar aplicada en las siguientes áreas [4] :
El proyecto GRACE fue financiado por el Programa de Investigación Avanzada de la NASA . Conquistadores de la ciencia del sistema terrestre (ESSP) [5] . En julio de 1996 se inició la recogida de solicitudes de participación en el programa ESSP. Se presentaron un total de 44 solicitudes, de las cuales 12 (incluida GRACE) llegaron a la final. Entre los criterios de selección figuraba la voluntad de ponerse en órbita en un plazo de 36 meses desde el inicio de la financiación [6] . El 18 de marzo de 1997 se anunciaron tres ganadores, entre los que se encontraba el proyecto GRACE. El proyecto fue implementado por desarrolladores estadounidenses y alemanes: Helmholtz Potsdam Center , Dornier Satellitensysteme GmbH (DSS) (una subsidiaria de EADS Astrium ) del lado alemán y JPL , Space Systems/Loral y la Universidad de Texas del lado estadounidense [7] . La gestión general del proyecto se confió al JPL [3] . La característica clave del aspecto financiero del proyecto fue la máxima transferencia de autoridad de la NASA a los ejecutores del proyecto. La NASA transfirió a los contratistas la responsabilidad total de la selección de contratistas y desarrolladores de equipos científicos y de vuelo. A su vez, el JPL fue responsable del éxito del experimento y del suministro de información científica a la comunidad científica internacional [7] . El proyecto asumió el trabajo de la parte espacial durante 5 años desde el momento del lanzamiento en órbita [3] .
En septiembre de 1997, el programa pasó a la "etapa B": la fabricación de naves espaciales. Dornier Satellitensysteme fue responsable de la fabricación de los satélites. La misma empresa proporcionó la preparación de los vehículos para el lanzamiento y la integración con el vehículo de lanzamiento [7] .
En julio de 1999, el proyecto GRACE estuvo entre los programas cuyos presupuestos fueron recortados en el mayor recorte presupuestario de la NASA desde 1981, pero el equipo logró superar las dificultades [8] .
Para implementar el experimento GRACE, se fabricaron dos naves espaciales GRACE 1 y GRACE 2. La empresa alemana Astrium fue responsable de la construcción de la nave espacial con la participación de Space Systems / Lora, y la gestión general del proyecto estuvo a cargo del JPL [3] .
Plataforma FlexBus sin hardware instalado
La nave espacial CHAMP es la primera en utilizar la plataforma FlexBus
nave espacial GRACE
Nave espacial GRACE-FO - desarrollo del proyecto GRACE
Ambos satélites se basaron en la plataforma de satélites FlexBus [7] . La plataforma se desarrolló para la misión CHAMP y se modificó para cumplir con los requisitos de GRACE: se retiró el magnetómetro del morro de la plataforma, se mejoraron las propiedades aerodinámicas de la plataforma, se trabajó para optimizar el coeficiente balístico, los centros de La masa de los acelerómetros se colocó en una continuación lineal del vector de presión de flujo en todas las direcciones, y se utilizaron sistemas de movimiento del centro de masa para el ajuste múltiple de su posición durante el vuelo [7] .
Cada nave espacial medía 3,1 × 1,94 m y pesaba 480 kg [9] . El equipo a bordo de la nave espacial constaba de sistemas científicos, sistemas de orientación y estabilización y sistemas de servicio. Todos los instrumentos científicos se montaron en un panel hecho de un material compuesto con un coeficiente de expansión bajo; esta solución proporcionó la precisión de medición necesaria, independientemente de la cantidad de radiación solar [3] .
Sistemas científicosEl instrumento principal del experimento GRACE es un telémetro de banda K ( K - Band Ranging , KBR), que consta de cuatro elementos clave [3] :
Además de KBR, se instalaron varias antenas adicionales a bordo, que se utilizaron en programas adicionales. Se utilizaron varias antenas GPS para el experimento de transiluminación atmosférica. La antena principal de la señal de navegación estaba ubicada en el lado superior de la nave espacial y estaba dirigida al cenit. Se instaló una antena de repuesto en la parte posterior del aparato, dirigida al nadir. La antena GPS helicoidal, la antena principal del experimento, se ubicó en la parte trasera de los satélites [3] .
Para medir las fuerzas no gravitatorias que actúan sobre la nave se utilizó el acelerómetro SuperSTAR, fabricado por la empresa francesa ONERA. El acelerómetro incluía una unidad de sensor (Sensor Unit, SU), que medía las aceleraciones, y una unidad de interfaz (Interface Control Unit, ICU), que filtraba y procesaba las señales digitales del acelerómetro [3] .
Para monitorear los parámetros de movimiento de los vehículos en su lado nadir, se instalaron reflectores de esquina láser (Laser Retro-Reflectors, LRR) [3] .
Sistemas de orientación y estabilizaciónPara la orientación en el espacio, se colocaron varios sensores a bordo de la nave espacial. Se instalaron cámaras estelares (+Y, Y) en los lados izquierdo y derecho, que se encargaron de determinar con precisión la posición de los satélites. Para la orientación aproximada se utilizó un sensor solar-terrestre, un magnetómetro Forster y receptores GPS. Además de los sensores de orientación, a bordo se encontraba un giroscopio, fabricado por la empresa inglesa. Litton , quien se encargó de determinar la posición durante el funcionamiento anormal del satélite [3] .
Para controlar la posición del aparato, se utilizaron dos sistemas de accionamiento. El sistema reactivo constaba de varios motores con un empuje de 10 mN, fabricados por la empresa inglesa. Moog , con nitrógeno comprimido como cuerpo activo. Para el almacenamiento de gas, se montaron dos cilindros de alta presión a lo largo del eje principal de la nave espacial. Para reducir el consumo del fluido de trabajo para la orientación, se instalaron a bordo del aparato seis bobinas electromagnéticas con un momento magnético de 30 A m² cada una [3] .
Para controlar los satélites por distancia, se colocaron en la parte trasera de los vehículos dos motores de maniobra orbital con un empuje de 40 mN cada uno (el fluido de trabajo es nitrógeno comprimido) [3] .
Para medir con precisión las fuerzas no gravitacionales que actúan sobre el satélite, fue necesario controlar el centro de masa de la nave espacial. Para llevar el centro de masa del dispositivo al centro de masa del acelerómetro se utilizó un sistema de equilibrado: 6 mecanismos de equilibrado de masa MTM y una unidad electrónica del sistema de equilibrado MTE. Cada uno de los mecanismos de equilibrio de masa constaba de una masa móvil sobre un eje , y un par de MTM proporcionaban el equilibrio a lo largo de un eje de la nave espacial [3] .
Sistemas de servicioPara garantizar el funcionamiento de los instrumentos científicos y del sistema de orientación, varios sistemas de servicio trabajaron a bordo del satélite [3] :
La parte generadora principal del sistema de suministro de energía eran paneles solares montados en la parte superior y los lados del casco. Se utilizaron baterías de níquel-hidrógeno con una capacidad de 16 Ah [3] para trabajar en las partes sombreadas de la órbita .
Para mantener una temperatura estable a bordo de la nave espacial, se utilizaron 64 elementos calefactores, 45 resistencias y 30 termistores [3] .
Se desarrolló un adaptador especial MSD (Multi-Satellite Dispenser) para lanzar dos dispositivos. El desarrollo del adaptador encargado por Eurockot Launch Services estuvo a cargo de la empresa alemana RST Rostock Raumfahrt und Umweltschutz GmbH . El adaptador era una columna de 300×300 mm fabricada en aluminio, sobre la que se colocaban los medios de sujeción y separación de la nave espacial. A su vez, el propio adaptador se adjuntó al marco superior del escenario superior Breeze-KM . El adaptador MSD no tenía conectores eléctricos para alimentar la carga útil, y la computadora de a bordo Briza-KM dio la orden de separar la nave espacial [10] . Se utilizó gas comprimido para separar la nave espacial del adaptador [3] . El adaptador pasó las pruebas de aceptación en Moscú GKNPTs im. MV Khrunichev [10] .
Una de las ventajas del vehículo de lanzamiento Rokot era la posibilidad de utilizar un carenado de morro grande. Para lanzar la misión GRACE, se creó un carenado con una altura de más de 6 metros y un diámetro de 2,6 m [11] .
A principios de 1998, Alfred Tegtmeyer , director de marketing de una empresa alemana inglesa. Cosmos International OHB-System GmbH , que promocionó el vehículo de lanzamiento ruso Kosmos -3M en el mercado internacional, afirmó que la empresa tenía un contrato para lanzar la misión GRACE [12] . Sin embargo, el 29 y 30 de octubre de 1998, una delegación de especialistas visitó el cosmódromo de Plesetsk , quienes evaluaron el grado de preparación del cosmódromo para los lanzamientos del vehículo de lanzamiento Rokot . Entre los participantes se encontraba Peter Hans Pawlowski ( en alemán: Peter Hans Pawlowski ), en representación del proyecto GRACE [13] . Ya el 9 de noviembre, el Centro Aéreo y Espacial Alemán (DLR) y la compañía inglesa. Eurockot Launch Services GmBH (la empresa que promocionó el vehículo de lanzamiento Rokot en el mercado internacional) firmó un acuerdo preliminar para lanzar dos pequeños satélites bajo el programa GRACE utilizando el vehículo de lanzamiento Rokot [14] . La elección del vehículo de lanzamiento se hizo en función de los resultados del concurso, al que asistieron proveedores de lanzamientos de seis vehículos de lanzamiento. Los principales competidores de Rokot fueron el estadounidense Athena-2 y el ruso Cosmos-3M. El gerente de proyecto JPL GRACE, Edgar Davies , comentó sobre la elección: “Rokot es el único operador de su clase capaz de llevar dos de estos pesados satélites a la órbita objetivo. Su capacidad de carga y maniobrabilidad de Briza-KM se convirtieron en argumentos decisivos " [15] .
Del 22 al 24 de junio de 1999, representantes de DLR, DASA, Dornier Satellite Systems del lado alemán y GPL y NASA del lado estadounidense llegaron nuevamente a Plesetsk. Supervisaron el progreso de los trabajos de adaptación de la infraestructura del sitio No. 133 (anteriormente utilizado para lanzar el vehículo de lanzamiento Kosmos) a los requisitos de los clientes comerciales [16] . El lanzamiento estaba previsto para el 23 de junio de 2001 [7] . El 25 de abril de 2000, los representantes de GRACE, acompañados por la dirección de Eurockot Launch Services, visitaron una vez más Plesetsk para asegurarse de que la infraestructura se preparara con éxito para recibir la carga útil [15] .
El 14 de septiembre de 1999, Astrium GmbH, en una sala limpia ubicada en Friedrichshafen , Alemania , completó las pruebas de compatibilidad de las naves espaciales GRACE A y B con el adaptador del vehículo de lanzamiento. Después de eso, ambos satélites fueron transportados a EE. UU. en Palo Alto para realizar pruebas de vacío térmico [17] . El 22 de diciembre de 1999, durante una prueba en tierra de los sistemas eléctricos del vehículo de lanzamiento, se produjo un desenganche anómalo de los flaps del carenado. En ese momento, el vehículo de lanzamiento se encontraba en la posición de partida, acoplado a la torre de servicio. Las alas que cayeron al suelo no fueron objeto de restauración [18] . Este incidente provocó el aplazamiento de la fecha de lanzamiento hasta octubre de 2001. El 9 de agosto de 2001 llegó nuevamente al cosmódromo de Plesetsk una delegación que representaba a especialistas alemanes y estadounidenses, quienes estaban convencidos de que la infraestructura del cosmódromo estaba lista para recibir naves espaciales [19] . Sin embargo, debido a la falta de disponibilidad de las propias naves espaciales, las fechas de lanzamiento se desplazaron gradualmente "hacia la derecha": el 23 de noviembre de 2001, el 27 de febrero y el 5 de marzo de 2002 se retrasaron [20] . El 18 de diciembre de 2001, el Presidente del Gobierno de la Federación Rusa, Mikhail Kasyanov , firmó una orden "Sobre la provisión de servicios por contrato por parte de las Fuerzas Espaciales de la Federación Rusa para garantizar el lanzamiento de dos naves espaciales científicas GRACE desde Plesetsk Cosmódromo por el vehículo de lanzamiento Rokot" [20] .
La fecha de lanzamiento final se fijó para las 09:23:14 UTC del 16 de marzo de 2002. La ventana de inicio fue de 10 minutos. Pero el 14 de marzo, durante la preparación previa al lanzamiento, surgieron comentarios en uno de los tres canales de la calibración previa al lanzamiento de la plataforma giratoria de la etapa superior Breeze-KM. El problema resultó no estar a bordo del vehículo de lanzamiento, sino en el complejo de lanzamiento y se resolvió reemplazando la unidad responsable de configurar el colimador giroscópico de referencia. Después de eso, se dio permiso para comenzar a la hora indicada. Pero el 16 de marzo, 40 minutos antes de la apertura de la ventana de lanzamiento, se decidió posponer el lanzamiento por un día debido a las condiciones meteorológicas: a una altura de 10 km, la velocidad del viento excedió los límites permitidos. El lanzamiento estaba programado para el 17 de marzo a las 09:21:18 UTC [3] .
El 17 de marzo de 2002 a las 09:21:27 UTC (10 segundos después de la apertura de la ventana de lanzamiento), se lanzó con éxito el vehículo de lanzamiento Rokot. A las 10:47 UTC, 85 minutos y 38 segundos después del lanzamiento, la carga útil se separó de la etapa superior del Breeze-KM. A las 10:49 UTC, la estación terrestre del centro de control de misión alemán en Weilheim en Oberbayern recibió la primera señal de telemetría de la nave espacial y confirmó el éxito del lanzamiento [3] .
NSSDC ID | SCN | Nombre del objeto | Inclinación orbital | Perigeo (km) |
Apogeo (km) |
Período de circulación (min) |
---|---|---|---|---|---|---|
2002-012A | 27391 | GRACIA 1 | 89.027° | 496.7 | 520.7 | 94.578 |
2002-012B | 27392 | GRACIA2 | 89.028° | 496.4 | 521.5 | 94.587 |
2002-012C | 27393 | RB "Brisa-KM" | 89.014° | 170.7 | 517.9 | 91.064 |
A las 11:01 UTC, la etapa superior realizó una maniobra de retirada y el 27 de marzo entró en las densas capas de la atmósfera y colapsó [3] .
Después de su lanzamiento en órbita, GRCE 2 comenzó a "escapar" de GRACE 1 a una velocidad de 0,5 m/s, y después de cinco días, la distancia entre las naves espaciales era de 263 km. A partir de ese momento, los satélites comenzaron a acercarse para tomar posiciones de trabajo a ≈220 km de distancia entre sí. Dentro de los 44 días desde el momento del lanzamiento, ambos dispositivos fueron probados a bordo del equipo [3] .
Inicialmente, la misión fue diseñada para cinco años [21] . El 9 de junio de 2010, la Administradora Asociada de la NASA, Laurie Garver, y el Presidente de la Junta Ejecutiva de DLR, Johann-Dietrich Werner, firmaron un acuerdo en Berlín para extender la misión GRACE hasta el final de su vida en órbita, como estaba previsto entonces, en 2015 [22] .
El 3 de septiembre de 2017, una celda de la batería falló a bordo de GRACE-2 debido a que excedió su vida útil, convirtiéndose en la octava celda perdida. El 4 de septiembre se perdió la comunicación con el dispositivo. El 8 de septiembre fue posible restablecer la comunicación con el satélite, superando las limitaciones del software de a bordo. El análisis de telemetría mostró que el elemento fallado está funcionando nuevamente, dando el voltaje especificado [23] . A mediados de octubre, quedó claro que la batería GRACE-2 no podía mantener el voltaje necesario para alimentar a todos los consumidores a bordo. Después de un análisis exhaustivo, se decidió transferir la nave espacial defectuosa al modo de salida de órbita. Se esperaba que saliera de órbita entre diciembre de 2017 y enero de 2018 [24] .
Tras el fallo del aparato GRACE-2, se decidió utilizar el GRACE-1 para calibrar el acelerómetro. Para ello se realizó un encendido controlado de los motores y un análisis de las lecturas del acelerómetro. Esta operación fue importante para la preparación de los vehículos para la misión GRACE-FO [24] . El satélite GRACE-2 ingresó a la atmósfera el 24 de diciembre de 2017. [25] El satélite GRACE-1 ingresó a la atmósfera el 10 de marzo de 2018. [26]
Celebrando los 15 años de operación exitosa del proyecto GRACE, el especialista sénior en agua del JPL, Jay Familetti, dijo:
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No puedo pensar en otro conjunto de dimensiones que hayan revolucionado tanto la ciencia.[27] | ![]() |
No puedo pensar en otro conjunto de medidas que hayan revolucionado tanto la ciencia. |
Según los datos de GRACE, se construyó el mapa más preciso del campo gravitatorio global de la Tierra en este momento.
Según las observaciones de 2002 a 2005, se demostró el rápido derretimiento del hielo de Groenlandia [28] .
En 2006, un grupo de investigadores dirigido por Ralph von Frese y Laramie Potts usando datos de GRACE descubrió una formación geológica en la Antártida con un diámetro de unos 480 km [29] (ver Cráter de Wilkes Land )
El experimento GRACE proporcionó a los investigadores una gran cantidad de información que ha servido como fuente para un gran número de publicaciones en revistas científicas. Al 15 de mayo de 2020, Frank Flechtner ha registrado 2199 publicaciones [30] . Las contribuciones destacadas reflejadas en la literatura científica fueron reconocidas durante la conferencia SpaceOps 2018 con el premio "For Excellence" del Centro Nacional de Investigación Espacial de Francia [31] .
La tecnología del experimento GRACE fue la base de la misión para mapear el campo gravitatorio de la Luna . Laboratorio de Recuperación de Gravedad e Interiores ( GRAIL ) [32] .
En noviembre de 2002, la misión GRACE recibió los premios Best of What's New, presentados anualmente por Popular Science [33] .
El 10 de diciembre de 2007, en la reunión de otoño de la Unión Geofísica Estadounidense en San Francisco, el equipo del experimento GRACE recibió el prestigioso premio William T. Pecora , que es un premio conjunto del Departamento del Interior de EE. UU. y la NASA por su destacada contribución al estudio de la Tierra usando métodos remotos [34] .
En 2018 se lanzaron 2 nuevos satélites que permiten realizar mediciones con mayor precisión [35] .
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