La nave espacial Maven fue construida por Lockheed Martin utilizando componentes y técnicas heredadas que vuelan en el Mars Reconnaissance Orbiter y en la nave Juno, ambos también construidos por LM. MAVEN consta de una plataforma espacial cúbica que alberga la mayor parte de los sistemas y cargas útiles de la nave, algunas de las cuales están montadas en brazos de instrumentos desplegables. La plataforma cúbica del satélite tiene un tamaño de 2,3 por 2,3 por 2 metros y está formada por un panal de aluminio intercalado entre láminas de grafito. El núcleo de la estructura es un cilindro de 1,3 metros de diámetro que encierra el tanque de propulsión de la nave espacial.
Montadas radialmente en el cilindro hay láminas de material compuesto que se fijan mediante accesorios metálicos. El cilindro, las láminas radiales y los paneles exteriores se utilizan como plataformas de montaje para el equipo de la nave espacial y sirven como estructura de carga.
La estructura primaria tiene una masa de 125 Kilogramos y es capaz de soportar toda la masa de la nave espacial y las cargas experimentadas durante el lanzamiento. MAVEN tiene un peso en seco de 809 kilogramos.
En total, MAVEN mide 3,47 metros de alto, 2,29 metros de ancho y 11,43 metros de largo con sus dos grandes paneles solares desplegados. En el momento del lanzamiento, la nave pesa 2.454 kilogramos.
El gran tanque de propulsión situado en el interior del tubo central contiene todo el suministro de hidracina para la misión MAVEN. Fue fabricado por ATK Aerospace Group, California, y tiene 1,83 metros de altura, capaz de contener 1.640 Kilogramos de monopropulsante de Hidracina para su uso por el sistema de propulsión del vehículo.
Sistema de propulsión
El sistema de propulsión de MAVEN se basa en el sistema desarrollado para el Mars Reconnaissance Orbiter. El sistema de propulsión fabricado por Aerojet utiliza un total de 20 propulsores divididos en tres grupos: un banco de seis propulsores principales, seis motores de empuje medio y ocho propulsores de control de actitud. Todos los motores son propulsores catalíticos que utilizan monopropelente de hidracina.
MAVEN está equipado con un total de seis propulsores MR-107N instalados en la base de la nave. Cada uno de estos motores proporciona un empuje nominal de 170 Newtons con una capacidad de aceleración de 109 a 296 Newtons. Con los seis motores en su aceleración nominal, MAVEN tiene un empuje total de 1.020 newtons – 104 kilogramos de fuerza.
MR-107N funciona con una presión de alimentación del propulsor de 8,2 a 27,8 bares y una presión de cámara de 4,2 a 11,2 bares para crear un impulso específico de 229 a 232 segundos. El motor ingiere de 49 a 131 gramos de combustible por segundo, dependiendo del ajuste de empuje. Tiene una relación de expansión de 20,7. El MR-107N pesa 740 gramos y mide 22 centímetros de longitud y 6,6 centímetros de diámetro. Utiliza una válvula de asiento único Moog. El motor está certificado para casi 1.500 ciclos de trabajo.
El sistema de propulsión principal es utilizado por la nave espacial MAVEN para su primera gran Maniobra de Corrección de Trayectoria y la crucial Maniobra de Inserción en Órbita de Marte, así como para cualquier otra gran maniobra que requiera una gran delta-v. El sistema de propulsión de MAVEN funciona en modo regulado para las quemas de los motores principales y en modo de soplado para las maniobras de actitud utilizando los propulsores más pequeños. El helio se utiliza para la presurización del tanque.
Además de su sistema de propulsión principal, MAVEN está equipado con seis propulsores MR-106E que se utilizan para correcciones de trayectoria más pequeñas, maniobras de ajuste de órbita y para proporcionar control de actitud durante las quemas del motor principal, como la maniobra de inserción.
El MR-106E proporciona 22 newtons de empuje con un rango operativo de 11,6 a 30,7 newtons operando a una presión de alimentación de 6,9 a 24,1 bar y una presión de cámara de 4,5 a 12,4 bar.
El propulsor proporciona un impulso específico de 229 a 235 segundos. Tiene una relación de expansión de 60 y consume de 5,0 a 13,1 gramos de propulsor por segundo. El MR-106E pesa 635 gramos con una longitud de 18,2 centímetros y un diámetro de boquilla de 3,4 centímetros. El propulsor 22N utiliza una válvula de hélice de doble asiento. Está certificado para más de 50.000 ciclos de trabajo y disparos largos de hasta 2.000 segundos, así como un tiempo de combustión acumulado de 4.670 segundos.
Para las maniobras de control de actitud más pequeñas, MAVEN cuenta con ocho propulsores MR-103D, cada uno de los cuales proporciona un empuje bajo de 1 Newton con un rango operativo de 0,22 a 1,02 Newtons. El MR-103D funciona a una presión de alimentación del propulsor de 6,2 a 27,6 bares y a una presión de la cámara de 5,9 a 23,4 bares, ya que el motor utiliza de 0,09 a 0,5 gramos de hidracina por segundo.
El motor tiene una relación de expansión de 100 siendo 14,6 centímetros de largo con una masa de 330 gramos y un diámetro de 3,4 centímetros. En este motor también se utiliza una válvula de doble asiento que proporciona un impulso específico de 209 a 224 segundos. El MR-103D está certificado para 275.000 ciclos de trabajo y un tiempo de combustión acumulado de 111 horas, junto con una certificación de disparo único de 5.000 segundos.
MAVEN está equipado con un sistema redundante de sensores solares que se utiliza para calcular la posición del sol para orientar los paneles solares del vehículo hacia el sol en caso de modo seguro del vehículo para mantener una generación de energía estable.
Dos rastreadores de estrellas proporcionan los datos precisos de navegación y orientación al ordenador de a bordo de MAVEN. Los datos del rastreador estelar se utilizan para apuntar con precisión hacia la Tierra para las comunicaciones, hacia el sol para la carga de la batería y hacia Marte para las operaciones científicas. Los rastreadores de estrellas proporcionan diez imágenes por segundo que luego se comparan con un catálogo de miles de estrellas para determinar la orientación del vehículo en el espacio.
También se ha instalado en la nave un sistema redundante de dos Unidades de Medición Inercial. Cada unidad consta de tres giroscopios de anillo y tres acelerómetros: un giroscopio y un acelerómetro para cada eje a medir. La IMU se utiliza para determinar con precisión las aceleraciones en el vehículo durante el encendido de los motores y las velocidades del vehículo durante los cambios de actitud para proporcionar una capacidad de apuntamiento precisa. Los datos del acelerómetro también pueden utilizarse para medir la densidad atmosférica en la parte más alta de la atmósfera marciana, ya que las fuerzas de arrastre son perceptibles para la nave espacial.
Los datos de navegación proporcionados por el complemento de sensores son utilizados por el ordenador de vuelo del vehículo para accionar el sistema de control de actitud del mismo. Para las maniobras de actitud de mayor envergadura, MAVEN utiliza sus pequeños propulsores de 1 Newton, mientras que el control de apuntamiento y actitud estándar del vehículo se realiza mediante cuatro Ruedas de Reacción: tres para cada eje de rotación más una de repuesto.
Las ruedas se hacen girar mediante motores eléctricos a una velocidad variable que se modifica al realizar las maniobras de actitud. Cada conjunto de ruedas de reacción pesa 10 kilogramos y las ruedas giran hasta 6.000 rpm. Los propulsores se utilizan para la desaturación periódica del momento angular, es decir, para frenar las ruedas de reacción y contrarrestar la fuerza resultante con los propulsores, de modo que las ruedas puedan acelerarse durante las operaciones de actitud estándar.
Computadora de vuelo &Sistema de datos
MAVEN está equipado con una tarjeta de procesamiento central RAD-750 que es un ordenador de una sola tarjeta fabricado por BAE Systems en Manassas, Va. El procesador puede soportar dosis de radiación que son un millón de veces más extremas que las que se consideran mortales para los seres humanos. La propia CPU del RAD750 puede tolerar entre 200.000 y 1.000.000 de rads. Además, el RAD750 no sufrirá más de un evento que requiera intervenciones desde la Tierra en un periodo de 15 años.
«La tarjeta del RAD750 está diseñada para acomodar todos esos efectos de un solo evento y sobrevivir a ellos. El objetivo final es que se permita una alteración en 15 años. Una alteración significa una intervención de la Tierra – una ‘pantalla azul de la muerte’ en 15 años. Normalmente tenemos contratos que (especifican) eso», dijo Vic Scuderi Gerente de Negocios de BAE.
RAD-750 fue lanzado en 2001 y realizó su primer lanzamiento en 2005 a bordo de la nave espacial Deep Impact. La CPU tiene 10,4 millones de transistores. Los procesadores RAD750 funcionan a una velocidad de hasta 200 megahercios, procesando a 400 MIPS. La CPU tiene una memoria caché L1 de 2 x 32KB (instrucción + datos) – para mejorar el rendimiento, se pueden implementar múltiples módulos de caché L2 de 1MB dependiendo de los requisitos de la misión.
El RAD750 funciona a temperaturas de -55°C a 125°C con un consumo de energía de 10 vatios. El sistema RAD750 estándar puede tolerar 100.000 radios.
El sistema de tratamiento de datos recibe datos de la carga útil y puede enviar comandos a las cargas útiles como parte de las secuencias operativas almacenadas. Los datos de los sensores de navegación también son procesados por los Sistemas de Manejo de Datos que a su vez comandan el sistema de control de actitud y los sistemas de propulsión del vehículo. Las operaciones de mantenimiento, como el control de los calentadores en función de los datos de los sensores de temperatura y la gestión de la energía, también son realizadas por el sistema informático.
La tarjeta de memoria de masa interactúa directamente con el sistema de telecomunicaciones de la nave espacial para la transmisión de datos y la transmisión de comandos.
Sistema de comunicaciones
La nave espacial MAVEN cuenta con un sistema de comunicaciones de alta ganancia, así como con un sistema de baja ganancia.
La antena de alta ganancia de MAVEN está fijada en el eje +Z de la nave espacial y no puede moverse para seguir a la Tierra por sí misma. La antena es un plato de 2,1 metros de diámetro con un sistema de banda X de doble reflector para lograr velocidades de datos de enlace descendente de hasta 550kb/s. Está fabricada con un núcleo de nido de abeja de Kevlar entre dos láminas frontales de material compuesto. La HGA cuenta con amplificadores de tubo de onda viajera para generar una señal potente que pueda ser captada por las estaciones de la Red de Espacio Profundo en la Tierra.
Debido a que la antena de alta ganancia está fijada en la nave, toda la nave MAVEN tiene que ser movida para apuntar la antena hacia la Tierra para sus sesiones regulares de comunicaciones que se espera sean de cinco horas de duración, dos veces por semana cuando el vehículo se toma un descanso de las operaciones científicas.
El sistema de baja ganancia no requiere ningún cambio de actitud, ya que las dos antenas de baja ganancia de la nave MAVEN logran una cobertura omnidireccional a velocidades de datos muy bajas. El sistema de baja ganancia puede utilizarse para comandar el enlace ascendente y descendente de telemetría de baja velocidad de datos, como los tonos que se utilizan durante la inserción en la órbita de Marte.
Terminal Electra UHF
Además de su sistema de comunicaciones en banda X para transmitir señales a la Tierra y recibir señales desde casa, MAVEN está equipado con un terminal de comunicaciones Electra UHF. Electra se ha utilizado en varias misiones anteriores a Marte y se ha convertido en el sistema estándar utilizado para retransmitir los datos de los rovers de Marte.
El terminal Electra consta de Transceptores UHF de doble cadena, Osciladores Ultrastables de doble cadena para la navegación de precisión y el posicionamiento en superficie y una antena UHF de baja ganancia que apunta al nadir. El EUT (Electra UHF Transceiver) es el núcleo de la carga útil.
Es un transceptor totalmente reconfigurable y ágil en frecuencia que opera en un rango de frecuencia de 390 a 450 MHz. El EUT se compone de cuatro plataformas apiladas como parte de un enfoque de diseño modular: una unidad de filtrado y conmutación, un receptor/modulador, un módulo procesador de banda base y un módulo de fuente de alimentación con amplificador de potencia.
Los osciladores proporcionan una referencia de frecuencia estable al EUT y al pequeño transpondedor de espacio profundo, así como una capacidad de alcance Doppler unidireccional. Además, proporciona una referencia de tiempo estable a la nave espacial que se utiliza para sincronizar los relojes de a bordo para el correcto etiquetado de tiempo de los datos científicos y de telemetría.
La antena Electra UHF es una hélice cuadrafilar con herencia de vuelos anteriores.
La Unidad Electra tiene un tamaño de 17 por 22 por 14 centímetros y pesa 4,9 Kilogramos encerrada en un chasis de magnesio chapado en oro. El control térmico se realiza mediante el rechazo del calor a través de la placa de instalación de la unidad.
Cuando un Mars Orbiter pasa dentro del campo de visión de un módulo de aterrizaje o rover, las dos unidades Electra de los dos vehículos establecen un enlace de comunicaciones. En función de la geometría de cualquier paso, la unidad Electra de la nave espacial monitoriza la intensidad de la señal del terminal terrestre para ordenar diferentes velocidades de datos durante el paso en función de la distancia entre ambos. Las velocidades de datos pueden ser tan bajas como 1kb/s y tan altas como 2.048kb/s en condiciones favorables. Los datos recibidos por el sistema Electra se almacenan a bordo del orbitador para su transmisión a tierra mediante su sistema de banda X de alta ganancia.
Esto permite a los rovers transmitir grandes volúmenes de datos, incluyendo datos científicos, imágenes y telemetría del vehículo, que no podrían ser transmitidos a través de su propio sistema de comunicación, que sólo puede alcanzar una fracción de la tasa de datos de las comunicaciones directas a la Tierra del orbitador.
A pesar de su órbita elíptica, MAVEN se ha considerado un buen orbitador para la retransmisión de datos en UHF, pero proporcionar Comm Relay durante su misión científica reduciría el rendimiento científico de la misión. Por ello, MAVEN realiza una demostración completa de Comm Relay de principio a fin antes de iniciar las operaciones científicas.
La misión científica primaria no cuenta con ninguna operación de retransmisión planificada, ya que MAVEN sirve de apoyo a la Mars Reconnaissance Orbiter y a la Mars Odyssey. En la misión científica extendida, los equipos esperan hacer espacio para ambos, ciencia y retransmisión de comunicaciones
Sistema de energía
MAVEN cuenta con dos matrices solares desplegables, cada una de ellas compuesta por dos paneles. Los paneles solares son fijos y la orientación hacia el sol se consigue cambiando la actitud del vehículo. Los paneles exteriores están instalados en un ángulo de ala de gaviota de 20 grados con respecto a los paneles interiores para proporcionar aerostabilidad a la nave cuando vuela a través de la parte más alta de la Atmósfera Marciana.
Instalados en los dos paneles solares exteriores hay dos trampolines en forma de cuña que facilitan los magnetómetros de la nave. Con los paneles solares desplegados, MAVEN mide 11,43 metros de punta a punta.
Los dos paneles solares proporcionan unos 1.200 vatios de energía eléctrica que se almacenan en dos baterías de 55 amperios/hora. Una electrónica específica distribuye la energía eléctrica y controla el estado de carga de las dos baterías. MAVEN utiliza un bus de alimentación principal de 28 voltios.
Plataforma de carga útil articulada
MAVEN cuenta con una plataforma de carga útil articulada instalada en un brazo para facilitar los instrumentos IUVS, STATIC y NGIMS. La plataforma puede apuntarse de forma independiente para permitir que sus instrumentos recojan datos científicos en una variedad de orientaciones de la nave espacial. La plataforma está equipada con un cardán interior y otro exterior. La plataforma de carga útil articulada puede moverse +/-90 grados en elevación y tiene un recorrido de +/-177,5 grados en acimut.
Instruments
La nave espacial MAVEN lleva un total de ocho instrumentos:
- Composición de Iones Térmicos y Supertérmicos (STATIC)
- Partículas Energéticas Solares (SEP)
- Analizador de Electrones del Viento Solar (SWEA)
- Analizador de Iones del Viento Solar (SWIA)
- Langmuir Probe and Waves (LPW)
- Magnetómetro (MAG)
- Espectrómetro de masas de gases neutros e iones (NGIMS)
- Espectrómetro ultravioleta de imagen (IUVS)
>>>Descripción general del instrumento MAVEN