Informations sur le vaisseau spatial – MAVEN

Informations sur le vaisseau spatial

Le vaisseau spatial Maven a été construit par Lockheed Martin en utilisant des composants et des techniques hérités qui volent sur le Mars Reconnaissance Orbiter et le vaisseau spatial Juno, tous deux également construits par LM. MAVEN se compose d’une plate-forme cubique qui accueille la majeure partie des systèmes et des charges utiles de l’engin spatial, dont certains sont montés sur des perches d’instruments déployables. Également attachés à la plate-forme principale, deux panneaux solaires déployables accueillent également des instruments scientifiques.

La plate-forme cubique du satellite mesure 2,3 par 2,3 par 2 mètres et est constituée d’un nid d’abeille en aluminium pris en sandwich entre des feuilles de face en composite graphite. Le cœur de la structure est un cylindre de 1,3 mètre de diamètre qui renferme le réservoir de propergol de l’engin spatial.

Montées radialement sur le cylindre, des feuilles composites sont fixées à l’aide de raccords métalliques. Le cylindre, les feuilles radiales et les panneaux extérieurs sont utilisés comme plateformes de montage pour l’équipement de l’engin spatial et servent de structure porteuse.

La structure primaire a une masse de 125 Kilogrammes et est capable de supporter toute la masse de l’engin spatial et les charges subies pendant le lancement. MAVEN a une masse sèche de 809 Kilogrammes.

Dans l’ensemble, MAVEN mesure 3,47 mètres de haut, 2,29 mètres de large et 11,43 mètres de long avec ses deux grands panneaux solaires déployés. Au lancement, l’engin spatial pèse 2 454 kilogrammes.

Le grand réservoir de propergol situé à l’intérieur du tube central contient la totalité de l’approvisionnement en hydrazine pour la mission MAVEN. Il a été fabriqué par ATK Aerospace Group, en Californie, et mesure 1,83 mètre de haut, capable de contenir 1 640 Kilogrammes de monopropulseur d’Hydrazine pour être utilisé par le système de propulsion du véhicule.

Système de propulsion

Le système de propulsion deMAVEN est basé sur le système développé pour le Mars Reconnaissance Orbiter. Le système de propulsion fabriqué par Aerojet utilise un total de 20 propulseurs qui sont répartis en trois groupes – une banque de six propulseurs de propulsion principale, six moteurs de moyenne poussée et huit propulseurs de contrôle d’attitude. Tous les moteurs sont des propulseurs catalytiques utilisant le monopropulseur Hydrazine.

MAVEN est équipé d’un total de six propulseurs MR-107N installés à la base du vaisseau spatial. Chacun de ces moteurs fournit une poussée nominale de 170 Newtons avec une capacité d’étranglement de 109 à 296 Newtons. Avec les six moteurs à l’accélération nominale, MAVEN a une poussée totale de 1 020 Newtons – 104 Kilogrammes-force.

MR-107N fonctionne à une pression d’alimentation en propergol de 8,2 à 27,8 bars et à une pression de chambre de 4,2 à 11,2 bars pour créer une impulsion spécifique de 229 à 232 secondes. Le moteur ingère 49 à 131 grammes de carburant par seconde selon le réglage de la poussée. Il a un rapport de détente de 20,7. Le MR-107N pèse 740 grammes, mesure 22 centimètres de longueur et 6,6 centimètres de diamètre. Il utilise une soupape à siège unique Moog. Le moteur est certifié pour près de 1 500 cycles de fonctionnement.

Le système de propulsion principal est utilisé par le vaisseau spatial MAVEN pour sa première grande manœuvre de correction de trajectoire et la cruciale manœuvre d’insertion en orbite martienne, ainsi que pour toute autre grande manœuvre nécessitant un delta-v important. Le système de propulsion de MAVEN fonctionne en mode régulé pour les brûlures du moteur principal et en mode purge pour les manœuvres d’attitude utilisant les petits propulseurs. L’hélium est utilisé pour la pressurisation des réservoirs.

En plus de son système de propulsion principal, MAVEN est équipé de six propulseurs MR-106E qui sont utilisés pour des corrections de trajectoire plus petites, des manœuvres d’ajustement d’orbite et pour fournir un contrôle d’attitude pendant les brûlures du moteur principal, comme la manœuvre d’insertion.

Le propulseurMR-106E fournit une poussée de 22 newtons avec une plage opérationnelle de 11,6 à 30,7 newtons fonctionnant à une pression d’alimentation de 6,9 à 24,1 bars et une pression de chambre de 4,5 à 12,4 bars.

Le propulseur fournit une impulsion spécifique de 229 à 235 secondes. Il a un rapport d’expansion de 60 et consomme 5,0 à 13,1 grammes de propergol par seconde. Le MR-106E pèse 635 grammes avec une longueur de 18,2 centimètres et un diamètre de tuyère de 3,4 centimètres. Le propulseur 22N utilise une valve de propulsion à double siège. Il est certifié pour plus de 50 000 cycles de fonctionnement et des tirs longs allant jusqu’à 2 000 secondes ainsi qu’une durée de combustion cumulée de 4 670 secondes.

Pour les manœuvres de contrôle d’attitude plus petites, MAVEN dispose de huit propulseurs MR-103D fournissant chacun une faible poussée de 1 Newton avec une plage opérationnelle de 0,22 à 1,02 Newton. Le MR-103D fonctionne à une pression d’alimentation en propergol de 6,2 à 27,6 bars et à une pression de chambre de 5,9 à 23,4 bars car le moteur utilise 0,09 à 0,5 gramme d’hydrazine par seconde.

Le moteur a un rapport d’expansion de 100. Il mesure 14,6 centimètres de long pour une masse de 330 grammes et un diamètre de 3,4 centimètres. Une soupape à double siège est également utilisée sur ce moteur qui fournit une impulsion spécifique de 209 à 224 secondes. Le MR-103D est certifié pour 275 000 cycles de fonctionnement et une durée de combustion cumulée de 111 heures ainsi qu’une certification de mise à feu unique de 5 000 secondes.

Navigation et contrôle d’attitude

MAVEN est équipé d’un système redondant de capteurs solaires qui sert à calculer la position du soleil pour orienter les panneaux solaires du véhicule vers le soleil en cas de mode de sécurité du véhicule pour maintenir une production d’énergie stable.

Deux suiveurs d’étoiles fournissent les données précises de navigation et d’orientation à l’ordinateur de bord de MAVEN. Les données des suiveurs d’étoiles sont utilisées pour un pointage précis vers la Terre pour les communications, vers le soleil pour le chargement des batteries et vers Mars pour les opérations scientifiques. Les traqueurs d’étoiles fournissent dix images par seconde qui sont ensuite comparées à un catalogue de milliers d’étoiles pour déterminer l’orientation du véhicule dans l’espace.

Un système redondant de deux unités de mesure inertielle est également installé sur le vaisseau spatial. Chaque unité se compose de trois gyroscopes à laser en anneau et de trois accéléromètres – un gyroscope et un accéléromètre pour chaque axe à mesurer. L’IMU est utilisé pour déterminer avec précision les accélérations du véhicule pendant la combustion des moteurs et les vitesses du véhicule pendant les changements d’attitude afin de fournir une capacité de pointage précise. Les données de l’accéléromètre peuvent également être utilisées pour mesurer la densité atmosphérique dans la partie la plus élevée de l’atmosphère martienne lorsque les forces de traînée deviennent perceptibles pour le vaisseau spatial.

Les données de navigation fournies par le complément de capteurs sont utilisées par l’ordinateur de vol du véhicule pour actionner le système de contrôle d’attitude du véhicule. Pour les manœuvres d’attitude plus importantes, MAVEN utilise ses petits propulseurs de 1-Newton, tandis que le pointage standard du véhicule et le contrôle d’attitude sont assurés par quatre roues de réaction – trois pour chaque axe de rotation plus une de rechange.

Les roues sont entraînées par des moteurs électriques à une vitesse variable qui est modifiée lors des manœuvres d’attitude. Chaque assemblage de roue de réaction pèse 10 kilogrammes et les roues tournent jusqu’à 6 000 tr/min. Les propulseurs sont utilisés pour la désaturation périodique du moment angulaire – ralentir les roues de réaction et contrer la force résultante avec les propulseurs pour que les roues puissent ensuite être accélérées pendant les opérations d’attitude standard.

Ordinateur de vol &Système de données

MAVEN est équipé d’une carte centrale RAD-750 qui est un ordinateur à carte unique fabriqué par BAE Systems à Manassas, Va. Le processeur peut supporter des doses de rayonnement qui sont un million de fois plus extrêmes que ce qui est considéré comme fatal pour les humains. Le processeur du RAD750 lui-même peut tolérer de 200 000 à 1 000 000 de rads. De plus, le RAD750 ne subira pas plus d’un événement nécessitant des interventions depuis la Terre sur une période de 15 ans.
« La carte RAD750 est conçue pour s’accommoder de tous ces effets à événement unique et y survivre. L’objectif ultime est qu’un seul bouleversement soit autorisé en 15 ans. Un bouleversement signifie une intervention de la Terre – un ‘écran bleu de la mort’ en 15 ans. Nous avons généralement des contrats qui (le) spécifient « , a déclaré Vic Scuderi directeur commercial de BAE.

RAD-750 a été lancé en 2001 et a fait son premier lancement en 2005 à bord du vaisseau spatial Deep Impact. L’unité centrale de traitement compte 10,4 millions de transistors. Les processeurs RAD750 fonctionnent jusqu’à 200 mégahertz, traitant à 400 MIPS. Le CPU dispose d’une mémoire cache L1 de 2 x 32KB (instruction + données) – pour améliorer les performances, plusieurs modules de cache L2 de 1MB peuvent être mis en œuvre en fonction des exigences de la mission.

Le RAD750 fonctionne à des températures de -55°C à 125°C avec une consommation électrique de 10 Watts. Le système RAD750 standard peut tolérer 100 000rads.

Le système de traitement des données reçoit les données de la charge utile et peut envoyer des commandes aux charges utiles dans le cadre de séquences opérationnelles enregistrées. Les données provenant des capteurs de navigation sont également traitées par les systèmes de traitement des données qui, à leur tour, commandent le système de contrôle d’attitude et les systèmes de propulsion du véhicule. Les opérations ménagères telles que la commande des appareils de chauffage en fonction des données des capteurs de température et la gestion de l’énergie sont également accomplies par le système informatique.
La carte de mémoire de masse s’interface directement avec le système de télécommunication du vaisseau spatial pour la liaison descendante des données et la liaison montante des commandes.

Système de communication

L’engin spatial MAVEN dispose d’un système de communication à gain élevé ainsi que d’un système à faible gain.
L’antenne à haut gain de MAVEN est fixée sur l’axe +Z de l’engin spatial et ne peut pas être déplacée pour suivre la Terre par elle-même. L’antenne est une parabole de 2,1 mètres de diamètre avec un système à double réflecteur en bande X pour atteindre des débits de données en liaison descendante allant jusqu’à 550kb/s. Elle est constituée d’un noyau en nid d’abeille en Kevlar entre deux feuilles de surface en composite. La HGA comporte des amplificateurs à tube à ondes progressives pour générer un signal puissant qui peut être capté par les stations du Deep Space Network sur Terre.

Comme l’antenne à haut gain est fixée sur le vaisseau spatial, l’ensemble du vaisseau spatial MAVEN doit être déplacé pour pointer l’antenne vers la Terre pour ses sessions de communication régulières qui devraient durer cinq heures, deux fois par semaine, lorsque le véhicule fait une pause dans ses opérations scientifiques.

Le système à faible gain ne nécessite aucun changement d’attitude car les deux antennes à faible gain du vaisseau spatial MAVEN permettent d’obtenir une couverture omnidirectionnelle à des débits de données très faibles. Le système à faible gain peut être utilisé pour commander la liaison montante et descendante de télémétrie à faible débit de données, comme les tonalités qui sont utilisées pendant l’insertion en orbite de Mars.

Terminal UHF Electra

En plus de son système de communication en bande X pour transmettre des signaux vers la Terre et recevoir des signaux de la maison, MAVEN est équipé d’un terminal de communication UHF Electra. Electra a été utilisé sur un certain nombre de missions martiennes précédentes et est devenu le système standard utilisé pour relayer les données des rovers martiens.

Le terminal Electra se compose d’émetteurs-récepteurs UHF à double chaîne, d’oscillateurs ultrastables à double chaîne pour la navigation de précision et le positionnement en surface et d’une antenne UHF à faible gain pointant vers le nadir. L’EUT (Electra UHF Transceiver) est le cœur de la charge utile.

Il s’agit d’un émetteur-récepteur entièrement reconfigurable et agile en fréquence qui fonctionne dans une gamme de fréquences de 390 à 450 MHz. L’EUT est composé de quatre plateformes empilées dans le cadre d’une approche de conception modulaire – une unité de filtrage et de commutation, un récepteur/modulateur, un module de processeur de bande de base et un module d’alimentation d’amplificateur de puissance.

Les oscillateurs fournissent une référence de fréquence stable à l’EUT et au petit transpondeur de l’espace profond ainsi qu’une capacité de télémétrie Doppler unidirectionnelle. De plus, il fournit une référence temporelle stable au vaisseau spatial qui est utilisée pour synchroniser les horloges de bord pour un étiquetage temporel approprié des données scientifiques et de télémétrie.

L’antenne UHF Electra est une hélice quadrafilaire avec un héritage de vol précédent.

L’unité Electra a une taille de 17 par 22 par 14 centimètres pesant 4,9 Kilogrammes enfermée dans un châssis en magnésium plaqué or. Le contrôle thermique est assuré par le rejet de la chaleur à travers la plaque d’installation de base de l’unité.

Lorsqu’un orbiteur martien passe dans le champ de vision d’un atterrisseur ou d’un rover, les deux unités Electra sur les deux véhicules établissent un lien de communication. En fonction de la géométrie d’un passage donné, l’unité Electra du vaisseau spatial surveille la force du signal du terminal au sol pour lui commander différents débits de données pendant le passage, en fonction de la distance entre les deux. Les débits de données peuvent être aussi bas que 1 kb/s et aussi élevés que 2 048 kb/s dans des conditions favorables. Les données qui sont reçues par le système Electra sont ensuite stockées à bord de l’orbiteur pour une liaison descendante vers le sol à l’aide de son système à haut gain en bande X.

Ceci permet aux rovers de descendre de grands volumes de données, y compris des données scientifiques, des images et la télémétrie du véhicule, qui ne pourraient pas être descendus via leur propre système de communication qui ne peut atteindre qu’une fraction du débit de données de communication directe vers la Terre de l’orbiteur.

Malgré son orbite elliptique, MAVEN a été jugé comme un bon orbiteur pour le relais de données UHF, mais fournir un relais de communication pendant sa mission scientifique réduirait le retour scientifique de la mission. C’est pourquoi MAVEN fait une démonstration complète de bout en bout de Comm Relay avant de commencer les opérations scientifiques.

La mission scientifique primaire ne comporte pas d’opérations de relais prévues car MAVEN sert de secours à Mars Reconnaissance Orbiter et Mars Odyssey. Dans la mission scientifique prolongée, les équipes s’attendent à faire de la place pour les deux, la science et le relais de communication

Système d’alimentation

MAVEN dispose de deux tableaux solaires déployables, chacun composé de deux panneaux. Les panneaux solaires sont fixes et le pointage du soleil est réalisé en changeant l’attitude du véhicule. Les panneaux extérieurs sont installés à un angle d’aile de mouette de 20 degrés par rapport aux panneaux intérieurs afin de fournir une aérostabilité à l’engin spatial lorsqu’il vole à travers la partie la plus élevée de l’atmosphère martienne.

Installés sur les deux panneaux solaires extérieurs sont deux plongeurs en forme de coin qui facilitent les magnétomètres de l’engin spatial. Avec les panneaux solaires déployés, MAVEN s’étend sur 11,43 mètres de bout en bout.

Les deux panneaux solaires fournissent environ 1 200 watts d’énergie électrique qui sont stockés dans deux batteries de 55 ampères-heure. Une électronique dédiée distribue l’énergie électrique et contrôle l’état de charge des deux batteries. MAVEN utilise un bus d’alimentation principal de 28 volts.

Plate-forme de charge utile articulée

MAVEN dispose d’une plate-forme de charge utile articulée installée sur une perche pour faciliter le passage des instruments IUVS, STATIC et NGIMS. La plate-forme peut être pointée indépendamment pour permettre à ses instruments de recueillir des données scientifiques dans une variété d’orientations de l’engin spatial. La plateforme est équipée d’un cardan intérieur et d’un cardan extérieur. La plateforme de charge utile articulée peut être déplacée de +/-90 degrés en élévation et a une course en azimut de +/-177,5 degrés.

Instruments

Le vaisseau spatial MAVEN transporte un total de huit instruments :

• SupraThermal And Thermal Ion Composition (STATIC)
• Solar Energetic Particle (SEP)
• Solar Wind Electron Analyzer (SWEA)
• Solar Wind Ion Analyzer (SWIA)
• Langmuir. Sonde et ondes (LPW)
• Magnétomètre (MAG)
• Spectromètre de masse à gaz neutres et à ions (NGIMS)
• Spectromètre ultraviolet imageur (IUVS)

>>>Vue d’ensemble des instruments MAVEN

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