Juno (sonda kosmiczna)

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Juno
Juno Mission to Jupiter (2010 Artist's Concept).jpg
Zaangażowani NASA
Indeks COSPAR 2011-040A
Rakieta nośna Atlas V 551
Miejsce startu Cape Canaveral Air Force Station, USA
Cel misji Jowisz
Orbita (docelowa, początkowa)
Okrążane ciało niebieskie Jowisz
Czas trwania
Początek misji 5 sierpnia 2011 (16:25:00,146 UTC)
Koniec misji październik 2017
Wymiary
Wymiary kadłub: 3,5 m śred.,
3,5 m wys.

wysokość całkowita 4,5 m, rozpiętość całkowita 20 m

Masa całkowita 3625 kg

Juno – bezzałogowa sonda kosmiczna amerykańskiej agencji kosmicznej NASA. Sztuczny satelita Jowisza. Juno jest drugą misją realizowaną w ramach programu New Frontiers. Głównym zadaniem misji jest zrozumienie pochodzenia i ewolucji Jowisza, co poprawi wiedzę na temat fundamentalnych procesów formowania i wczesnej ewolucji Układu Słonecznego[1].

Sonda Juno została wystrzelona 5 sierpnia 2011 roku przez rakietę nośną Atlas V (konfiguracja 551) i weszła na orbitę heliocentryczną. Po ponad dwóch latach lotu ponownie zbliżyła się do Ziemi, żeby wykorzystać jej asystę grawitacyjną. 5 lipca 2016 roku, po prawie pięciu latach lotu, Juno wykonała manewr wejścia na orbitę polarną wokół Jowisza[2]. Sonda będzie prowadziła zaplanowane obserwacje do lutego 2018 r. Po wykonaniu 37 okrążeń planety zaplanowana jest deorbitacja i spalenie sondy w atmosferze Jowisza[3].

Cele naukowe misji[edytuj]

Misja poświęcona jest badaniom składu i struktury atmosfery, pomiarom pola magnetycznego, pola grawitacyjnego oraz magnetosfery Jowisza[4].

  • Skład atmosfery – zbadanie procesu formowania i pochodzenia atmosfery Jowisza oraz możliwego procesu migracji planet dzięki wykonaniu pomiarów globalnej obfitości wody i amoniaku:
    • pomiar globalnego stosunku tlenu do wodoru (obfitość wody) w atmosferze;
    • pomiar globalnego stosunku azotu do wodoru (obfitość amoniaku) w atmosferze.
  • Struktura atmosfery – zbadanie zmienności w głębokich warstwach atmosfery Jowisza związanej z warunkami meteorologicznymi, składem, profilami temperatury, nieprzezroczystością obłoków i dynamiką atmosfery:
    • określenie stopnia nieprzezroczystości dla mikrofal (microwave opacity) jako funkcji szerokości planetograficznej i wysokości (ciśnienia);
    • określenie głębokości obłoków i struktur atmosfery jak strefy, pasy i plamy oraz wykonanie map dynamicznej zmienności obfitości amoniaku i wody;
    • scharakteryzowanie stopnia nieprzezroczystości dla mikrofal polarnych rejonów atmosfery.
  • Pole magnetyczne – zbadanie drobnych struktur w polu magnetycznym Jowisza, dostarczenie informacji na temat jego wewnętrznej struktury oraz natury dynama:
    • wykonanie globalnych map pola magnetycznego Jowisza przez bezpośrednie pomiary pola w bliskich odległościach radialnych;
    • określenie spektrum magnetycznego pola dostarczającego informacji o promieniu jądra dynama;
    • obserwacja zmienności długookresowej pola magnetycznego.
  • Pole grawitacyjne – zbadanie dystrybucji masy wewnątrz planety:
  • Magnetosfera biegunowa – zbadanie trójwymiarowej struktury magnetosfery w obszarach biegunowych i obserwacja zórz polarnych:
    • zbadanie podstawowych procesów zorzowych odpowiedzialnych za przyspieszanie cząstek;
    • scharakteryzowanie zorientowanych zgodnie z polem (field-aligned) prądów przekazujących moment pędu z Jowisza do jego magnetosfery;
    • zidentyfikowanie i scharakteryzowanie zorzowych emisji fal radiowych i plazmowych związanych z przyspieszaniem cząstek;
    • scharakteryzowanie natury, lokalizacji i skali przestrzennej struktur zorzowych.

Konstrukcja sondy[edytuj]

Rozmieszczenie instrumentów naukowych sondy Juno

Konstrukcja sondy wykonana jest głównie z materiałów kompozytowych. Kadłub ma kształt graniastosłupa sześciokątnego. Większość instrumentów naukowych została umieszczona na górnym i dolnym panelu sondy. Jedynie magnetometr został umieszczony poza zasadniczą jednostką sondy, na panelu słonecznym. Większość awioniki sondy i elektroniki instrumentów została umieszczona wewnątrz ochronnej konstrukcji wykonanej z tytanu, tzw. „skarbca”, o wymiarach 0,8 × 0,8 × 0,6 m i masie około 150 kg, którego ściany mają grubość 1 cm. Znajduje się on na szczycie górnego pokładu kadłuba, pod anteną główną. Znacząco zmniejsza on narażenie znajdującej się wewnątrz elektroniki na promieniowanie jonizujące, do maksimum 25 krad, podczas gdy wnętrze kadłuba jest narażone na dawkę około 11 Mrad[4].

Do łączności z Ziemią wykorzystywana jest głównie antena o wysokim zysku (High-Gain Antenna, HGA) o średnicy 2,5 m pracująca w paśmie X. Juno posiada także przednią antenę o średnim zysku (MGA), dwie anteny – przednią i tylną – o niskim zysku (LGA) oraz dodatkowo antenę toroidalną o niskim zysku.

Energię elektryczną zapewniają 3 skrzydła paneli fotowoltaicznych umieszczone promieniście wokół kadłuba. Warto podkreślić, że ogniwa słoneczne po raz pierwszy stanowią źródło energii elektrycznej w misji do Jowisza. Każde ze skrzydeł ma wymiary 8,9 × 2,65 m. Dwa ze skrzydeł składają się z 4 paneli ogniw każda. Ostatnie skrzydło ma 3 panele, natomiast miejsce ostatniego panelu zajmuje konstrukcja magnetometru. Baterie słoneczne dostarczały w okolicy orbity Ziemi energii o mocy około 14 kW, która na orbicie wokół Jowisza spadnie do około 400 W.

System napędowy satelity składa się z dwóch układów: układu z silnikiem głównym, korzystającym z dwuskładnikowego materiału pędnego (tetratlenek diazotu i hydrazyna) oraz układu z 12 silnikami korekcyjnymi, wykorzystujący jedynie hydrazynę. Silnik główny Leros-1b ma ciąg 645 N i używany jest do wszystkich najważniejszych manewrów misji. Ruchoma osłona chroni jego dyszę przed uderzeniami cząstek pyłu. Silniki korekcyjne rozmieszczone są w czterech zestawach silnikowych przymocowanych do kadłuba. Służą one do kontroli położenia sondy i wykonywania większości manewrów korekcyjnych.

Sonda jest stabilizowana obrotowo. Prędkość wirowania będzie się zmieniała w zależności od fazy misji: 1 obrót na minutę podczas biernej fazy lotu, 2 obroty na minutę podczas prowadzenia obserwacji naukowych i 5 obrotów na minutę podczas manewrów z użyciem silnika głównego. Wirowanie nadaje sondzie stabilność oraz umożliwia przemiatanie Jowisza przez pole widzenia instrumentów. Całkowita masa sondy przy starcie wynosiła 3625 kg, w tym masa konstrukcji 1593 kg i masa materiałów pędnych 2032 kg (1280 kg paliwa i 752 kg utleniacza)[5].

Instrumenty naukowe sondy[edytuj]

Cele misji zostaną zrealizowane przy użyciu 29 czujników dostarczających danych do 9 instrumentów na pokładzie sondy. 8 z tych instrumentów składa się na ładunek naukowy, natomiast kamera JunoCam traktowana jest jako dodatkowy instrument przeznaczony dla celów edukacji i oświaty publicznej[5].

Instrument Ilustracja Opis instrumentu
  • Wykonawca instrumentu
    • Kierownik (Instrument Lead)
Gravity Science – eksperyment pomiarów pola grawitacyjnego[6]
GS(Juno).png
System telekomunikacyjny sondy: transpondery sondy w paśmie Ka i paśmie X. Systemy odbiorcze sieci Deep Space Network na Ziemi.
Magnetometer (MAG) – magnetometr[7]
MAG(Juno).png
Dwa trójosiowe magnetometry transduktorowe na szczycie skrzydła paneli słonecznych, w odległości 10 m i 12 m od centrum sondy.

Advanced Stellar Compass (ASC) – szukacze gwiazd (4 kamery CCD) dostarczające dokładnych danych o orientacji sondy w przestrzeni.

Microwave Radiometer (MWR) – radiometr mikrofal[8]
MWR(juno).jpg
6 radiometrów, każdy z oddzielną anteną. Pomiary w zakresie fal o częstotliwości 0,6 – 22 GHz (o długości 1,3 cm – 50 cm) – odbiorniki o centralnych częstotliwościach: 0,6; 1,25; 2,6; 5,2; 10 i 22 GHz. Sondowanie głębokich warstw atmosfery planety (o ciśnieniu > 100 barów).
  • NASA Jet Propulsion Laboratory
    • Michael Janssen z NASA Jet Propulsion Laboratory
Jupiter Energetic Particle Detector Instrument (JEDI) – detektor cząstek energetycznych
JEDI(juno).jpg
3 identyczne detektory cząstek ze spektrometrami mas time-of-flight. Pomiary jonów w zakresie energii 10 keV – 10 MeV i elektronów w zakresie energii 25 keV – 1 MeV.
Jovian Auroral Distributions Experiment (JADE) – instrument do badania rozkładu zórz polarnych
JADE(juno).jpg
Zestaw detektorów złożony z 3 analizatorów elektronów i spektrometru masowego jonów. Pomiary elektronów oraz jonów wodoru, helu, tlenu i siarki o niskiej energii.
Waves – odbiornik fal radiowych i plazmowych[9]
Wave(juno).jpg
Elektryczna antena dipolowa i magnetyczna antena cewkowa wraz z odbiornikami. Pomiary pól elektrycznych i pól magnetycznych związanych z emisją fal radiowych i plazmowych w obszarach polarnych magnetosfery Jowisza.
Ultraviolet Imaging Spectrograph (UVS) – spektrograf obrazujący w ultrafiolecie
UVS(juno).jpg
Spektrograf obrazujący w zakresie długości fal 70 – 205 nm. Obrazowanie i pomiary spektralne w ultrafiolecie obszarów emisji zorzowej.
  • Southwest Research Institute w San Antonio, Teksas
    • Randy Gladstone z Southwest Research Institute
Jovian Infrared Auroral Mapper (JIRAM) – instrument obrazujący w podczerwieni[10]
JIRAM(juno).jpg
Kamera podczerwieni i spektrometr podczerwieni. Pomiary w zakresie długości fal 2,0 – 5,0 μm. Obrazowanie i sondowanie obszarów zorzowych i górnych warstw atmosfery Jowisza do poziomu ciśnienia 5 – 7 barów (na głębokości 50 – 70 km).
JunoCam – kamera[11][12]
JunoCam(juno).jpg
Kamera szerokokątna z 4 filtrami barwnymi: 420 – 520 nm (niebieski), 500 – 600 nm (zielony), 600 – 800 nm (czerwony) i ok. 890 nm (pasmo absorpcji metanu). Obrazy tworzone przez przemiatanie pola widzenia podczas wirowania sondy. Zdolność rozdzielcza 673 μrad/piksel (od około 3 km/piksel na poziomie powierzchni chmur planety w peryapsis do 1800 km/piksel w apoapsis).

Przebieg misji[edytuj]

Trajektoria międzyplanetarna sondy Juno
Przebieg orbit sondy Juno w stosunku do pasów radiacyjnych Jowisza
Start rakiety Atlas V z Juno na pokładzie

Misja Juno została w maju 2005 roku wybrana przez NASA do realizacji w ramach programu New Frontiers. Start według pierwotnych planów miał nastąpić w 2009 r., lecz następnie ulegał kolejno przesunięciu na 2010 i 2011 rok[4]. Montaż sondy rozpoczął się 1 kwietnia 2010 roku w zakładach koncernu Lockheed Martin Space Systems w Denver[13]. 8 kwietnia 2011 roku Juno została przetransportowana drogą lotniczą na kosmodrom Cape Canaveral. Zostały na nim przeprowadzone finalne etapy montażu i testów przedstartowych sondy oraz jej integracja z rakietą nośną[14].

Start sondy nastąpił 5 sierpnia 2011 roku o 16:25 UTC, ze stanowiska startowego SLC-41 na Cape Canaveral Air Force Station. Po 10 min 45 s rakieta nośna wprowadziła sondę na wstępną orbitę parkingową. Po kolejnych 31 minutach nastąpił powtórny zapłon górnego członu Centaur rakiety nośnej, którego praca trwała przez następne 9 min. O 17:18 UTC Juno odłączyła się od członu Centaur, po czym pomyślnie rozłożyła skrzydła baterii słonecznych[15].

Po starcie sonda weszła na sięgającą poza orbitę Marsa orbitę heliocentryczną o peryhelium 1,0 j.a, aphelium 2,26 j.a. i nachyleniu względem ekliptyki 0,1°[16].

1 lutego 2012 r. o 18:10 UTC wykonano trwający 25 min pierwszy manewr korekcji trajektorii (Δv = 1,2 m s-1)[17].

W pobliżu aphelium Juno dwukrotnie uruchomiła silnik główny (30 sierpnia i 14 września 2012), wykonując manewry DSM (Deep Space Maneuvers). 9 października 2013 roku sonda przeleciała obok Ziemi, zbliżając się do niej na odległość 559 km. Wykonany w efekcie przelotu manewr asysty grawitacyjnej zwiększył prędkość sondy o około 7,6 km s-1 i skierował ją na orbitę prowadzącą do Jowisza[18].

5 lipca 2016 roku, w momencie największego zbliżenia do Jowisza, Juno ponownie uruchomiła na 35 minut silnik główny i wykonała manewr JOI (Jupiter Orbit Insertion), który wprowadził ją na orbitę okołobiegunową wokół Jowisza (Δv = 542 m s-1). Pierwsza orbita sondy będzie miała okres obiegu wynoszący 53,5 dnia. Pod koniec tej orbity Juno po raz ostatni uruchomi silnik główny na 22 minuty, wykonując manewr PRM (Period Reduction Maneuver), który skróci okres kolejnych orbit do 14 dni.

Po szczegółowej analizie NASA zatwierdziła zmiany w planie lotu sondy w pobliżu Jowisza. Okres orbitalny zamiast 11 dni wyniesie 14 dni. Różnica w okresie orbitalnym będzie wprowadzona poprzez wykonanie nieco krótszego niż planowano uruchomienie silnika przy wejściu na orbitę planety. Zmodyfikowany plan wydłuży czas trwania misji Juno z 15 do 20 miesięcy, a sonda okrąży Jowisza 37 zamiast 30. Dodatkowy czas nie zmieni zakresu badań – to tylko zmiana trajektorii, wysokości i planowania lotu wokół planety. Sonda będzie zbierała zaplanowane dane nieco dłużej. NASA zatwierdziła także zmianę orbity wstępnej. Zmodyfikowany plan zakłada, że po pierwszym manewrze włączenia silników hamujących nastąpią dwa kolejne w odstępach 53,5 dnia, po których sonda zostanie umieszczona na orbicie o okresie 14 dni[19].

Silnie eliptyczne okołobiegunowe orbity sondy umożliwią uniknięcie przelotów przez najbardziej niebezpieczne części pasów radiacyjnych planety. Podczas peryapsis Juno będzie zbliżać się na odległość 4667 km powyżej szczytów chmur w rejonie północnego bieguna Jowisza. W apoapsis sonda będzie oddalać się poza orbitę Kallisto. Sonda będzie się też poruszała z prędkością 65 km/s, szybciej niż jakikolwiek pojazd wykonany przez człowieka[20].

Misję zakończy manewr deorbitacji podczas 37 orbity i zniszczenie sondy przy wtargnięciu w atmosferę planety w dniu 20 lutego 2018 roku[21].

Fazy misji[edytuj]

Faza Początek fazy Czas trwania (dni)
Przedstartowa 2 sierpnia 2011 (-3 dni przed startem) 3
Startowa 5 sierpnia 2011 2,3
Lot wokółsłoneczny 1 (Inner Cruise 1) 8 sierpnia 2011 61
Lot wokółsłoneczny 2 (Inner Cruise 2) 8 października 2011 598
Lot wokółsłoneczny 3 (Inner Cruise 3) 28 maja 2013 161
Faza zbliżania (Quiet Cruise) 5 listopada 2013 791
Faza podejścia (Approach Phase) 5 stycznia 2016 178
Wejście na orbitę Jowisza (JOI) 1 lipca 2016 4
Orbita wstępna (Capture Orbit) 5 lipca 2016 106
Manewr zmniejszenia okresu obiegu planety (PRM) 19 października 2016 1
Orbity badawcze 20 października 2016
Deorbitacja luty 2018

Zespół i koszty misji[edytuj]

Misja jest prowadzona dla NASA przez Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie. Kierownikiem misji (Principal Investigator) jest dr Scott Bolton z Southwest Research Institute w San Antonio, Teksas. Głównym naukowcem projektu (Project Scientist) jest Steve Levin z Jet Propulsion Laboratory. Sonda została skonstruowana w zakładach koncernu Lockheed Martin Space Systems w Denver, Kolorado[5].

Całkowity koszt misji, od etapu planowania do jej zakończenia, ma wynieść 1 miliard 107 milionów USD[22].

Przypisy

  1. NASA: Juno (ang.). [dostęp 2011-07-25]. [zarchiwizowane z tego adresu (2016-02-14)].
  2. Sonda Juno już na orbicie Jowisza, tvnmeteo.tvn24.pl [dostęp 2016-07-05] [zarchiwizowane z adresu 2016-07-09].
  3. Jupiter Orbit Insertion Press Kit, www.jpl.nasa.gov [dostęp 2016-07-03] [zarchiwizowane z adresu 2016-07-09].
  4. a b c R. S. Grammier: A look inside the Juno mission to Jupiter (ang.). 2008–12–18. [dostęp 2011–07–19]. [zarchiwizowane z tego adresu (2016-07-09)].
  5. a b c NASA: Juno Launch. Press Kit (ang.). [dostęp 2011-07-29]. [zarchiwizowane z tego adresu (2016-07-09)].
  6. NASA: Juno – Spacecraft: Instruments – GSE (ang.). [dostęp 2011-08-06]. [zarchiwizowane z tego adresu (2011-10-08)].
  7. NASA: Juno Magnetic Field Investigation (ang.). [dostęp 2011-08-06]. [zarchiwizowane z tego adresu (2016-07-09)].
  8. NASA: Juno – Spacecraft: Instruments – MWR (ang.). [dostęp 2011-08-06]. [zarchiwizowane z tego adresu (2011-10-09)].
  9. The University of Iowa: Juno Waves Investigation (ang.). [dostęp 2011-08-09]. [zarchiwizowane z tego adresu (2012-12-12)].
  10. NASA: Juno – Spacecraft: Instruments – JIRAM (ang.). [dostęp 2011-08-09]. [zarchiwizowane z tego adresu (2011-10-10)].
  11. Malin Space Science Systems: JunoCam (ang.). [dostęp 2011-08-06]. [zarchiwizowane z tego adresu (2016-04-18)].
  12. Emily Lakdawalla: Junocam will get us great global shots down onto Jupiter's poles (ang.). [dostęp 2011-08-06]. [zarchiwizowane z tego adresu (2016-07-09)].
  13. JPL: Juno Taking Shape in Denver (ang.). 2010–04–05. [dostęp 2011–07–30]. [zarchiwizowane z tego adresu (2013-09-02)].
  14. JPL: NASA's Jupiter-Bound Spacecraft Arrives in Florida (ang.). 2010–04–05. [dostęp 2011–07–30]. [zarchiwizowane z tego adresu (2011-11-09)].
  15. Justin Ray: Juno Mission Status Center (ang.). 2011–08–05. [dostęp 2011–08–05]. [zarchiwizowane z tego adresu (2016-07-09)].
  16. Jonathan McDowell: Jonathan's Space Report No. 645 (ang.). 2011–08–16. [dostęp 2011–08–18]. [zarchiwizowane z tego adresu (2016-03-31)].
  17. Jet Propulsion Laboratory: NASA's Juno Spacecraft Refines its Path to Jupiter (ang.). 2012-02-02. [dostęp 2012-02-04]. [zarchiwizowane z tego adresu (2012-10-10)].
  18. Juno (pol.). Loty kosmiczne. [dostęp 2013-10-10]. [zarchiwizowane z tego adresu (2015-06-10)].
  19. Kosarzycki: Zmiany w misji sondy Juno na rok przed osiągnięciem celu (pol.). Urania - Postępy Astronomii, 2015-07-10. [dostęp 2015-12-02]. [zarchiwizowane z tego adresu (2016-07-09)].
  20. Allen Zeyher: Here's why Juno is taking a deep, dangerous dive into Jupiter's magnetic fields (ang.). Astronomy.com, 2016-06-23. [dostęp 2016-07-06]. [zarchiwizowane z tego adresu (2016-07-09)].
  21. Juno Mission & Trajectory Design – Juno, spaceflight101.com [dostęp 2016-07-05] [zarchiwizowane z adresu 2016-07-09].
  22. govBudgets.com NASA edition: NASA Budget: Juno Project (ang.). 2011. [dostęp 2011-08-01]. [zarchiwizowane z tego adresu (2015-06-01)].

Linki zewnętrzne[edytuj]