Missione Multiscala Magnetosferica
Satelliti scientifici per missione multiscala magnetosferica.png)
| Organizzazione | NASA |
|---|---|
| Costruttore | Goddard |
| Programma | Sonde terrestri solari |
| Campo | Geomagnetismo |
| Numero di copie | 4 |
| Costellazione | sì |
| Stato | Operativo |
| Lanciare | 13 marzo 2015 alle 02:44 UT |
| Launcher | Atlas V -421 |
| Durata | 2 anni (missione primaria) |
| Identificatore COSPAR | 2015-011 |
| Luogo | mms.gsfc.nasa.gov |
| Messa al lancio | 1250 kg |
|---|---|
| Massa propellente | 360 kg |
| Controllo dell'atteggiamento | Stabilizzato dalla rotazione |
| Fonte di energia | Pannelli solari |
| Energia elettrica | 318 watt (fine missione) |
| Orbita | Alto |
|---|---|
| Perigeo | 7.500 km |
| Apogeo | 160.000 km |
| Inclinazione | 28,0 ° |
| REIT | Strumento di misura al plasma |
|---|---|
| HPCA | Analizzatore di plasma |
| TASSE | Sensore di particelle di energia |
| EIS | Spettrometro ionico |
| AFG e DFG | Magnetometri |
| EDI | Strumento di misura degli elettroni |
| SCM | Magnetometro |
| SDP e ADP | Antenne |
Missione Magnetosferica Multiscala o MMS è una missione spaziale della NASA per studiare la magnetosfera della Terra lanciata13 marzo 2015ed è la quarta missione della NASA nell'ambito del suo studio del programma di relazioni Sole - Terra ( Solar Terrestrial Probes ). L'MMS utilizza quattro satelliti identici che volano in formazione posti in orbite terrestri elevate. Gli strumenti scientifici di bordo devono raccogliere dati per ricostruire la struttura e la dinamica delle regioni in cui avvengono le riconnessioni magnetiche . In particolare, devono misurare l'accelerazione delle particelle energetiche e la turbolenza. La missione prevede due fasi della durata complessiva di due anni per studiare questo fenomeno in situ , prima nella regione in cui il vento solare si scontra con il campo magnetico terrestre e poi, nella regione situata di fronte alla Terra, nella coda della magnetosfera .
Contesto
L'MMS è stato identificato nel 2002 dal Consiglio Nazionale delle Ricerche degli Stati Uniti nel suo Rapporto Decennale sulla Fisica del Sole e dello Spazio come la missione a medio costo a cui dare la massima priorità. Lo sviluppo della missione è affidato dalla NASA al Goddard Space Flight Center . Il progetto del carico utile è posto sotto la supervisione del Southwest Research Institute che fornisce la guida scientifica per la missione. MMS segue dal dell'Agenzia spaziale europea Cluster missione lanciata nel 2000 per studiare la Terra magnetosfera . In relazione a questa missione di grande successo, l'MMS deve aumentare in modo significativo la risoluzione spaziale e temporale con cui vengono misurati i campi magnetici ed elettrici e le caratteristiche del plasma . I satelliti seguono un'orbita ottimizzata per consentire una permanenza prolungata nelle regioni dello spazio in cui avvengono le riconnessioni magnetiche :
- In magnetopausa , cioè il lato della Terra rivolto verso il Sole, dove si incontrano il vento solare e il campo magnetico terrestre.
- Nella coda della magnetosfera che è formata dalla pressione del vento solare sulla magnetosfera del pianeta e che può estendersi a grande distanza dal pianeta.
La riconnessione magnetica è un fenomeno mediante il quale l'energia viene trasferita in modo esplosivo tra il vento solare e la magnetosfera della Terra. È uno dei meccanismi all'origine dell'aurora polare . È un processo che opera a livello del Sole, attorno ad altri pianeti e ovunque nell'Universo . Svolge inoltre un ruolo importante negli studi scientifici sulla fusione nucleare perché è un fenomeno che ostacola la fusione per confinamento magnetico del combustibile utilizzato nei reattori prototipo. Infine, i fenomeni di riconnessione sono importanti per le previsioni meteorologiche spaziali che consentono di preservare le telecomunicazioni e i satelliti di navigazione durante i brillamenti solari .
Obiettivi
La missione MMS mira a identificare la struttura e la dinamica delle regioni in cui gli elettroni si diffondono evidenziando questo fenomeno in tre dimensioni e su piccola scala. Gli strumenti satellitari MMS dovrebbero misurare il plasma così come i campi elettrici e magnetici nelle regioni di diffusione della magnetosfera terrestre dove avvengono le riconnessioni magnetiche per rispondere alle seguenti domande:
- Cosa innesca il processo di riconnessione magnetica e quanto velocemente avviene questo processo?
- Qual è la struttura della regione di diffusione?
- In che modo i campi di plasma e magnetici si connettono e si disconnettono nelle regioni di scattering?
- In che modo gli elettroni influenzano il processo di riconnessione?
- Qual è il ruolo della turbolenza nel processo di riconnessione?
- In che modo le riconnessioni accelerano le particelle che raggiungono energie elevate?
Scenario di missione
Le riconnessioni magnetiche avvengono in due regioni della magnetosfera terrestre: il lato diurno della magnetopausa e la coda magnetica del lato notturno. Per studiare queste due regioni la missione si divide in due fasi:
- Durante la prima fase i satelliti studiano le riconnessioni lato giorno dove il campo magnetico interplanetario si fonde con il campo geomagnetico, trasferendo massa, momento ed energia alla magnetosfera. Il vento solare trasporta le linee dei campi magnetici interplanetari / geomagnetici verso il lato notturno creando un accumulo di flusso magnetico. Durante questa fase i quattro satelliti MMS circolano in un'orbita di bassa inclinazione (28 °) con un periapsis situato a un raggio terrestre di 1.2 (circa 7.500 km ) e un'apassi di 12 raggi terrestri (circa 75.000 km).
- Durante la seconda fase della missione, le sonde spaziali MMS studieranno le riconnessioni magnetiche sul lato notturno che innescano il rilascio dell'energia accumulata nella coda magnetica durante eventi esplosivi chiamati tempeste magnetosferiche che permettono al flusso magnetico di tornare di lato. giorno.
La durata della missione primaria è di due anni dalla fine dei controlli in orbita. Un altro anno viene speso sulla Terra per analizzare i dati raccolti.
Caratteristiche tecniche dei satelliti
La missione utilizza quattro satelliti identici che volano in formazione. Ogni satellite ha la forma di un cilindro piatto ottagonale di 1,2 metri di altezza e 3,5 metri di diametro con una massa unitaria di 1.250 kg. La struttura in alluminio è costituita da due ponti (piastre) separati da un tubo centrale contenente i serbatoi del propellente . Gli strumenti scientifici sono installati sul ponte superiore mentre i vari sottosistemi della piattaforma sono installati sul ponte inferiore. La determinazione dell'orientamento del satellite si basa su una serie di sensori del Sole, cercatori di stelle e accelerometri. L'orientamento è mantenuto con una precisione di 0,5 ° dal sistema di propulsione chimica. Questo è del tipo a propellente singolo e comprende 12 piccoli motori a razzo funzionanti in modalità a pressione decrescente ( blowdown). La navicella trasporta circa 360 kg di propellenti in quattro serbatoi sferici in titanio situati nel tubo centrale. La propulsione viene utilizzata sia per il controllo dell'assetto , per mantenere la distanza da altri satelliti MMS, sia per i cambiamenti dell'orbita a metà missione (elevazione del picco ).
Otto pannelli solari che occupano le facce laterali del satellite devono fornire un minimo di 318 watt alla fine della missione. Gli accumulatori possono far fronte a eclissi per 4 ore. Le telecomunicazioni sono in banda S e il segnale passa attraverso la costellazione di satelliti per telecomunicazioni, relè geostazionario TDRS della NASA . Per scopi scientifici, il satellite ruota attorno al proprio asse a tre giri al minuto. Ogni satellite comprende otto antenne dispiegate in orbita: quattro antenne filari lunghe sessanta metri per i sensori di campo elettrico e due poli di cinque metri che supportano i magnetometri sono dispiegate perpendicolari all'asse di rotazione mentre due poli da 12,5 metri paralleli all'asse di rotazione che trasportano i sensori di campo elettrico sono dispiegati sopra e sotto il satellite.
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Disposizione dei diversi sottosistemi e strumenti scientifici.
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Diagramma prospettico che mostra i diversi componenti strutturali.
Strumentazione scientifica
I quattro veicoli spaziali trasportano esattamente gli stessi strumenti scientifici: strumenti di analisi al plasma , rivelatori energetici di particelle, magnetometri , strumenti di misura del campo elettrico e apparecchiature destinate a mantenere il potenziale elettrico del satellite il più basso possibile, in modo da non disturbare le misurazioni. I vari strumenti sono caratterizzati dalla frequenza particolarmente elevata (ogni millisecondo) e dalla precisione delle misure. Queste caratteristiche sono necessarie per identificare e mappare regioni di scattering molto piccole (1-10 km ) e in rapido movimento ( 10-100 km / s ) in cui avvengono i processi di riconnessione magnetica.
Misurazione del plasma caldo
Due strumenti analizzano le caratteristiche dei plasmi:
- Lo strumento FPI ( Fast Plasma Instrument ) misura la distribuzione tridimensionale dei flussi di elettroni e ioni la cui energia è compresa tra 10 eV e 30 keV con una precisione del livello di energia del 20%. Le misurazioni vengono effettuate ogni 30 ms con una risoluzione temporale di 150 ms. Lo strumento è fornito dal Goddard Space Flight Center .
- Lo strumento HPCA ( Hot Plasma Composition Analyzer ) utilizza una nuova tecnica per misurare ioni come ossigeno e idrogeno la cui energia è compresa tra ~ 10 eV e 30 keV con una precisione del livello di energia del 20% e una risoluzione temporale di 15 secondi.
Misura di particelle energetiche
Due strumenti analizzano le caratteristiche delle particelle energetiche:
- Due FEEPS ( Eye sensori particelle energetico della mosca ) strumenti misurano la distribuzione spaziale e lo spettro di energia di ioni e elettroni per elettroni ~ 25 k eV a 500 keV e protoni da ~ 45 keV a 500 keV . Lo strumento è fornito dalla società Aerospace Corporation.
- L' Energy Ion Spectrometer (EIS ) determina la composizione ionica (dai protoni agli ioni ossigeno) e la distribuzione angolare per particelle con energia compresa tra ~ 45 keV e 500 keV ogni 30 secondi. Lo strumento è alimentato dal Laboratorio di Fisica Applicata ( Laboratorio di Fisica Applicata ).
Misura di campi elettrici e magnetici
Sei strumenti analizzano le caratteristiche dei campi elettrici e magnetici:
- L' analogico fluxgate magnetometri AFG ( analogico Fluxgate ) e DFG digitale ( Fluxgate Digital ) hanno sviluppato rispettivamente dalla University of California di Los Angeles e l' Università Tecnica di Braunschweig in Germania. Entrambi i magnetometri forniscono misurazioni ridondanti del campo magnetico e della struttura delle regioni di diffusione.
- Lo strumento EDI ( Electron Drift Instrument ) misura i campi e l'elettricità misurando lo spostamento degli elettroni emessi da un fucile elettrico con un'energia di circa 1 k eV . Lo strumento è stato sviluppato dal Institut für Weltraumforschung della Accademia Austriaca delle Scienze .
- Sei antenne misurano i campi elettrici in tre dimensioni . Quattro antenne filari SDP ( Spin-plane Double Probe ) lunghe 60 metri sono disposte perpendicolarmente all'asse di rotazione del satellite con sensori sferici alle estremità. Due antenne ADP ( Axial Double Probe ) da 12,5 metri sono dispiegate parallelamente all'asse di rotazione su entrambi i lati del satellite. Le misurazioni vengono eseguite con una frequenza di 100 kHz e una precisione di 0,5 mV / m (SDP) e 1 mV / m (ADP).
- Il Search Coil Magnetometer (SCM ) misura il campo magnetico negli assi con una frequenza fino a 6 kHz e viene utilizzato con strumenti ADP e SDP per determinare il contributo delle onde di plasma alla dissipazione turbolenta che avviene nelle regioni trasmesse. Lo strumento SCM è sviluppato dal Laboratoire de physique des plasmas in Francia .
Avanzamento del progetto
Tutti e quattro i satelliti sono stati costruiti dal Goddard Space Flight Center della NASA . Si prevede che i satelliti MMS verranno posti in orbita inmarzo 2015da un lanciatore Atlas V -421 composto da due propulsori booster e uno stadio superiore Centaur . Il13 marzo 2015, il lanciatore dalla base di lancio di Cape Canaveral colloca l'MMS in un'orbita provvisoria di 585 x 70.165 km . I quattro satelliti torneranno successivamente alla loro orbita operativa utilizzando la propria propulsione.
Riferimenti
- (in) " MMS-SMART: Introduction " , Southwest Research Institute (visitato il 10 marzo 2015 )
- (in) " The Magnetospheric Multiscale Mission " , NASA (visitato il 10 marzo 2015 )
- (in) " MMS: Science " , NASA (visitato il 9 maggio 2013 )
- (in) " MMS: Mission " , Southwest Research Institute (visitato il 9 maggio 2013 )
- (in) " MMS: Mission Implementation (II) " , Southwest Research Institute (visitato il 9 maggio 2013 )
- (a) " MMS: Veicoli spaziali " , la NASA (accede 9 maggio 2013 )
- (in) " MMS: Payload - overview " , Southwest Research Institute (visitato il 9 maggio 2013 )
- (in) " MMS: Payload - II Instrument descriptions " , Southwest Research Institute (visitato il 9 maggio 2013 )
- (in) " MMS: Payload - III Instrument descriptions " , Southwest Research Institute (visitato il 9 maggio 2013 )
- (in) " MMS: Payload - IV Instrument descriptions " , Southwest Research Institute (visitato il 9 maggio 2013 )
- (in) William Graham, " MMS lanciato con successo da Atlas V dell'ULA " , nasaspaceflight.com,13 marzo 2015