Informazioni sul veicolo spaziale
Il veicolo spaziale Maven è stato costruito dalla Lockheed Martin utilizzando componenti e tecniche ereditate dal Mars Reconnaissance Orbiter e dal Juno Spacecraft, entrambi costruiti dalla LM. MAVEN consiste in una piattaforma cubica che ospita la maggior parte dei sistemi del veicolo spaziale e dei carichi utili, alcuni dei quali sono montati su bracci di strumenti dispiegabili. Alla piattaforma principale sono attaccati anche due array solari dispiegabili che ospitano anche strumenti scientifici.
La piattaforma cubica del satellite ha una dimensione di 2,3 per 2,3 per 2 metri, costituita da alveolari in alluminio inseriti tra fogli di grafite composita. Il nucleo della struttura è un cilindro di 1,3 metri di diametro che racchiude il serbatoio del propellente del veicolo spaziale.
Montato radialmente sul cilindro sono fogli compositi che sono fissati utilizzando raccordi metallici. Il cilindro, le lastre radiali e i pannelli esterni sono utilizzati come piattaforme di montaggio per le attrezzature della navicella e servono come struttura portante.
La struttura primaria ha una massa di 125 chilogrammi ed è in grado di sostenere l’intera massa della navicella e i carichi sperimentati durante il lancio. MAVEN ha un peso a secco di 809 chilogrammi.
In totale, MAVEN è alta 3,47 metri, larga 2,29 metri e lunga 11,43 metri con i suoi due grandi pannelli solari spiegati. Al momento del lancio, la navicella pesa 2.454 chilogrammi.
Il grande serbatoio di propellente situato all’interno del tubo centrale contiene l’intera fornitura di idrazina per la missione MAVEN. È stato prodotto da ATK Aerospace Group, California, ed è alto 1,83 metri, in grado di contenere 1.640 chilogrammi di idrazina monopropellente da utilizzare per il sistema di propulsione del veicolo.
Sistema di propulsione
Il sistema di propulsione di MAVEN è basato sul sistema sviluppato per il Mars Reconnaissance Orbiter. Il sistema di propulsione prodotto da Aerojet usa un totale di 20 propulsori che sono divisi in tre gruppi – un banco di sei propulsori principali, sei motori a media spinta e otto propulsori di controllo dell’assetto. Tutti i motori sono propulsori catalitici che utilizzano idrazina monopropellente.
MAVEN è dotato di un totale di sei propulsori MR-107N installati sulla base della navicella. Ognuno di questi motori fornisce una spinta nominale di 170 Newton con una capacità di accelerazione da 109 a 296 Newton. Con i sei motori all’accelerazione nominale, MAVEN ha una spinta totale di 1.020 Newton – 104 Kilogrammi-forza.
MR-107N opera con una pressione di alimentazione del propellente da 8,2 a 27,8 bar e una pressione della camera da 4,2 a 11,2 bar per creare un impulso specifico da 229 a 232 secondi. Il motore ingerisce da 49 a 131 grammi di carburante al secondo a seconda della regolazione della spinta. Ha un rapporto di espansione di 20,7. MR-107N pesa 740 grammi, misura 22 centimetri di lunghezza e 6,6 centimetri di diametro. Utilizza una valvola a sede singola Moog. Il motore è certificato per quasi 1.500 cicli di lavoro.
Il sistema di propulsione principale è usato dal veicolo spaziale MAVEN per la sua prima grande manovra di correzione della traiettoria e la cruciale manovra di inserimento in orbita su Marte, così come qualsiasi altra grande manovra che richiede un grande delta-v. Il sistema di propellente di MAVEN opera in modalità regolata per le bruciature del motore principale e in modalità blowdown per le manovre di assetto utilizzando i propulsori più piccoli. L’elio è usato per la pressurizzazione del serbatoio.
Oltre al suo sistema di propulsione principale, MAVEN è equipaggiato con sei propulsori MR-106E che sono usati per correzioni di traiettoria più piccole, manovre di aggiustamento dell’orbita e per fornire il controllo dell’assetto durante le bruciature del motore principale come la manovra di inserimento.
MR-106E fornisce 22 Newton di spinta con una gamma operativa da 11,6 a 30,7 Newton operando ad una pressione di alimentazione da 6,9 a 24,1 bar e una pressione di camera da 4,5 a 12,4 bar.
Il propulsore fornisce un impulso specifico di 229 a 235 secondi. Ha un rapporto di espansione di 60 e consuma da 5,0 a 13,1 grammi di propellente al secondo. MR-106E pesa 635 grammi con una lunghezza di 18,2 centimetri e un diametro dell’ugello di 3,4 centimetri. Il propulsore 22N utilizza una valvola di propulsione Dual Seat. È certificato per più di 50.000 cicli di lavoro e lunghe accensioni fino a 2.000 secondi, nonché un tempo di combustione cumulativo di 4.670 secondi.
Per le manovre di controllo dell’assetto più piccole, MAVEN dispone di otto propulsori MR-103D che forniscono ciascuno una bassa spinta di 1 Newton con una gamma operativa da 0,22 a 1,02 Newton. MR-103D opera a una pressione di alimentazione del propellente da 6,2 a 27,6 bar e una pressione di camera da 5,9 a 23,4 bar, poiché il motore utilizza da 0,09 a 0,5 grammi di idrazina al secondo.
Il motore ha un rapporto di espansione di 100 essendo lungo 14,6 centimetri con una massa di 330 grammi e un diametro di 3,4 centimetri. Su questo motore viene utilizzata anche una valvola a doppia sede che fornisce un impulso specifico da 209 a 224 secondi. MR-103D è certificato per 275.000 cicli di lavoro e un tempo di combustione cumulativo di 111 ore insieme a una certificazione per un singolo sparo di 5.000 secondi.
MAVEN è dotato di un sistema ridondante di sensori solari che viene utilizzato per calcolare la posizione del sole per puntare gli array solari del veicolo verso il sole in caso di modalità di sicurezza del veicolo per mantenere stabile la generazione di energia.
Due star tracker forniscono i dati precisi di navigazione e orientamento al computer di bordo di MAVEN. I dati dell’inseguitore stellare sono utilizzati per il puntamento preciso verso la Terra per le comunicazioni, verso il sole per la ricarica delle batterie e verso Marte per le operazioni scientifiche. Gli star tracker forniscono dieci immagini al secondo che vengono poi confrontate con un catalogo di migliaia di stelle per determinare l’orientamento del veicolo nello spazio.
Un sistema ridondante di due unità di misurazione inerziale è anche installato sul veicolo spaziale. Ogni unità consiste di tre giroscopi ad anello e tre accelerometri – un giroscopio e un accelerometro per ogni asse da misurare. L’IMU è usata per determinare con precisione le accelerazioni del veicolo durante le accensioni dei motori e le velocità del veicolo durante i cambiamenti di assetto per fornire una capacità di puntamento precisa. I dati dell’accelerometro possono anche essere utilizzati per misurare la densità atmosferica nella porzione più alta dell’atmosfera marziana quando le forze di resistenza diventano evidenti per il veicolo spaziale.
I dati di navigazione forniti dal complemento di sensori sono utilizzati dal computer di volo del veicolo per attivare il sistema di controllo dell’assetto del veicolo. Per le manovre di assetto più grandi, MAVEN utilizza i suoi piccoli propulsori da 1 Newton, mentre il puntamento standard del veicolo e il controllo dell’assetto sono effettuati da quattro ruote di reazione – tre per ogni asse di rotazione più una di riserva.
Le ruote sono fatte girare da motori elettrici a velocità variabile che viene cambiata quando si fanno le manovre di assetto. Ogni gruppo Reaction Wheel pesa 10 chilogrammi e le ruote girano fino a 6.000 giri al minuto. I propulsori sono utilizzati per la desaturazione periodica del momento angolare – rallentando le ruote di reazione e contrastando la forza risultante con i propulsori in modo che le ruote possano poi essere accelerate durante le operazioni di assetto standard.
Flight Computer & Data System
MAVEN è equipaggiato con una RAD-750 Central Processing Board che è un computer a scheda singola prodotto da BAE Systems a Manassas, Va. Il processore può sopportare dosi di radiazioni che sono un milione di volte più estreme di quelle considerate fatali per gli esseri umani. La stessa CPU RAD750 può tollerare da 200.000 a 1.000.000 di rad. Inoltre, RAD750 non subirà più di un evento che richieda interventi dalla Terra in un periodo di 15 anni.
“La scheda RAD750 è progettata per ospitare tutti quegli effetti di un singolo evento e sopravvivere ad essi. L’obiettivo finale è che sia consentito un solo sconvolgimento in 15 anni. Uno sconvolgimento significa un intervento dalla Terra – una ‘schermata blu della morte’ in 15 anni. Di solito abbiamo contratti che (specificano) questo”, ha detto Vic Scuderi BAE Business Manager.
RAD-750 è stato rilasciato nel 2001 e ha fatto il suo primo lancio nel 2005 a bordo del Deep Impact Spacecraft. La CPU ha 10,4 milioni di transistor. I processori RAD750 operano fino a 200 megahertz, elaborando a 400 MIPS. La CPU ha una memoria cache L1 di 2 x 32KB (istruzione + dati) – per migliorare le prestazioni, più moduli cache L2 da 1MB possono essere implementati a seconda dei requisiti della missione.
RAD750 opera a temperature da -55°C a 125°C con un consumo energetico di 10 Watt. Il sistema standard RAD750 può tollerare 100.000rads.
Il sistema di gestione dei dati riceve i dati dal carico utile e può inviare comandi ai carichi utili come parte delle sequenze operative memorizzate. I dati dai sensori di navigazione sono anche elaborati dal Data Handling System che a sua volta comanda il sistema di controllo dell’assetto e i sistemi di propulsione del veicolo. Anche le operazioni di manutenzione come il comando dei riscaldatori in base ai dati dei sensori di temperatura e la gestione dell’energia sono eseguite dal sistema informatico.
La Mass Memory Board si interfaccia direttamente con il sistema di telecomunicazioni del veicolo spaziale per il downlink dei dati e l’uplink dei comandi.
Sistema di comunicazione
Il veicolo spaziale MAVEN dispone di un sistema di comunicazione ad alto guadagno e di un sistema a basso guadagno.
L’antenna ad alto guadagno di MAVEN è fissata sull’asse +Z del veicolo spaziale e non può essere spostata per seguire la Terra da sola. L’antenna è una parabola di 2,1 metri di diametro con un sistema a doppio riflettore in banda X per raggiungere velocità di dati in downlink fino a 550kb/s. È fatta di un nucleo a nido d’ape in Kevlar tra due fogli compositi. L’HGA è dotata di amplificatori a tubo a onda viaggiante per generare un forte segnale che può essere captato dalle stazioni della rete Deep Space sulla Terra.
Perché l’antenna ad alto guadagno è fissata sul veicolo spaziale, l’intero veicolo spaziale MAVEN deve essere spostato per puntare l’antenna verso la Terra per le sue sessioni regolari di comunicazione che si prevede durino cinque ore, due volte a settimana quando il veicolo fa una pausa dalle operazioni scientifiche.
Il sistema a basso guadagno non richiede alcun cambiamento di assetto in quanto le due antenne a basso guadagno sul veicolo spaziale MAVEN raggiungono una copertura omni-direzionale a velocità di trasmissione dati molto basse. Il sistema a basso guadagno può essere usato per comandare uplink e downlink di telemetria a bassa velocità di dati come i toni che sono usati durante l’inserimento in orbita su Marte.
Terminale Electra UHF
In aggiunta al suo sistema di comunicazione in banda X per trasmettere segnali alla Terra e ricevere segnali da casa, MAVEN è dotato di un terminale di comunicazione Electra UHF. Electra è stato usato in una serie di missioni marziane precedenti ed è diventato il sistema standard usato per trasmettere i dati dai rover marziani.
Il terminale Electra consiste in ricetrasmettitori UHF a doppia stringa, oscillatori ultrastabili a doppia stringa per la navigazione di precisione e il posizionamento in superficie e un’antenna UHF a basso guadagno che punta al nadir. L’EUT (Electra UHF Transceiver) è il nucleo del carico utile.
È un ricetrasmettitore completamente riconfigurabile, agile in frequenza che opera in una gamma di frequenza da 390 a 450 MHz. EUT è composto da quattro piattaforme impilate come parte di un approccio di progettazione modulare – un’unità di filtraggio e commutazione, un ricevitore/modulatore, un modulo processore a banda base e un modulo di alimentazione dell’amplificatore di potenza.
Gli oscillatori forniscono un riferimento di frequenza stabile per l’EUT e il piccolo transponder Deep Space, nonché una capacità di gamma Doppler unidirezionale. Inoltre, fornisce un riferimento temporale stabile al veicolo spaziale che viene utilizzato per sincronizzare gli orologi di bordo per un corretto time-tagging dei dati scientifici e di telemetria.
L’antenna Electra UHF è un’elica quadrifilare con eredità di volo precedente.
L’unità Electra è di 17 per 22 per 14 centimetri di dimensione e pesa 4,9 chilogrammi racchiusa in un telaio di magnesio placcato oro. Il controllo termico è fornito dalla reiezione del calore attraverso la piastra di installazione di base dell’unità.
Quando un Mars Orbiter passa all’interno del campo visivo di un lander o rover, le due unità Electra sui due veicoli stabiliscono un collegamento di comunicazione. In base alla geometria di un dato passaggio, l’unità Electra del veicolo spaziale controlla la potenza del segnale del terminale a terra per comandarlo a diverse velocità di dati durante il passaggio in base alla distanza tra i due. I tassi di dati possono essere bassi come 1kb/s e alti come 2.048kb/s in condizioni favorevoli. I dati ricevuti dal sistema Electra vengono poi memorizzati a bordo dell’orbiter per il downlink a terra utilizzando il suo sistema a banda X ad alto guadagno.
Questo permette ai rover di trasmettere grandi volumi di dati, inclusi dati scientifici, immagini e telemetria del veicolo che non potrebbero essere trasmessi tramite il loro sistema di comunicazione che può raggiungere solo una frazione della velocità di trasmissione dati dell’orbiter direttamente sulla Terra.
Nonostante la sua orbita ellittica, MAVEN è stato ritenuto un buon orbiter per il relè dati UHF, ma fornire il Comm Relay durante la sua missione scientifica ridurrebbe il ritorno scientifico della missione. Questo è il motivo per cui MAVEN dimostra una dimostrazione completa end-to-end di Comm Relay prima di iniziare le operazioni scientifiche.
La missione scientifica primaria non presenta alcuna operazione di relè pianificata in quanto MAVEN serve come backup al Mars Reconnaissance Orbiter e Mars Odyssey. Nella missione scientifica estesa, i team si aspettano di fare spazio per entrambi, scienza e relè di comunicazione
Sistema di alimentazione
MAVEN dispone di due array solari dispiegabili, ciascuno composto da due pannelli. I pannelli solari sono fissi e il puntamento del sole si ottiene cambiando l’assetto del veicolo. I pannelli esterni sono installati con un angolo di 20 gradi ad ala di gabbiano rispetto ai pannelli interni per fornire aerostabilità al veicolo spaziale quando vola attraverso la parte più alta dell’atmosfera marziana.
Installati sui due pannelli solari esterni sono due trampolini a forma di cuneo che facilitano i magnetometri del veicolo spaziale. Con i pannelli solari dispiegati, MAVEN si estende per 11,43 metri da punta a punta.
I due pannelli solari forniscono circa 1.200 Watt di potenza elettrica che viene immagazzinata in due batterie da 55 Ampere. L’elettronica dedicata distribuisce l’energia elettrica e controlla lo stato di carica delle due batterie. MAVEN utilizza un bus di alimentazione principale da 28 Volt.
Piattaforma articolata di carico utile
MAVEN ha una piattaforma articolata di carico utile installata su un braccio per facilitare gli strumenti IUVS, STATIC e NGIMS. La piattaforma può essere puntata indipendentemente per permettere ai suoi strumenti di raccogliere dati scientifici in una varietà di orientamenti del veicolo spaziale. La piattaforma è dotata di un gimbal interno e uno esterno. La piattaforma articolata del carico utile può essere spostata di +/-90 gradi in elevazione e ha una corsa azimutale di +/-177,5 gradi.
Instruments
Il veicolo spaziale MAVEN trasporta un totale di otto strumenti:
- SupraThermal And Thermal Ion Composition (STATIC)
- Solar Energetic Particle (SEP)
- Solar Wind Electron Analyzer (SWEA)
- Solar Wind Ion Analyzer (SWIA)
- Langmuir Probe and Waves (LPW)
- Magnetometro (MAG)
- Spettrometro di massa a gas neutro e ioni (NGIMS)
- Spettrometro ultravioletto a immagini (IUVS)
>>>Panoramica dello strumento MAVEN