LA SONDA CASSINI-HUYGENS
Introducció i resum
És un projecte conjunt NASA-ESA-Agència Espacial Italiana.
Consta de l'orbitador Cassini a Saturn i de la sonda Huygens que ha de baixar a Tità.
Arribada a Saturn a una altura d'1/6 del seu ∅ ≈ a 20.000 km.
Separació de la sonda Huygens al final de la 1ª òrbita al voltant de Saturn (previsió inicial).
Contacte de 3 h amb l'orbitador.
Missió de l'orbitador durant 3,5-4 anys més.
Unes 60-74 òrbites al voltant de Saturn.
30 a 35 aproximacions a Tità.
Altres aproximacions a Japet, Dione i Enceladus i unes 24 aproximacións més distants a altres satèl·lits (44 aproximacions a Tità i altres satèl·lits).
Saturn
∅ Saturn ≈ ∅ Terra*10.
Volum Saturn ≈ volum Terra *750.
Massa Saturn ≈ massa Terra*95.
La diferència de color entre els 4 planetes gegants pot ser deguda a la seva distància al Sol, que determina la seva temperatura i, per tant, quins gasos estan en estat líquid o gasós.
A l'atmosfera de Saturn hi ha amoníac, a més d'H i He, i hi ha vents a una velocitat de l'ordre de 1.800 km/h.
Tità
Descobert per Huygens el 1655.
Orbita a 1.221.830 km de la Terra
∅ de 5.150 km, equivalent a 0,4 ∅ de la Terra.
S'havia considerat com el satèl·lit més gran del Sistema Solar degut a la seva espessa atmosfera que li augmentava el diàmetre aparent, però després es va veure que la seva esfera sòlida era menor que la de Ganimedes. De totes maneres, encara és més gran que els planetes Mercuri i Plutó i que la Lluna i els altres 3 satèl·lits galileans de Júpiter.
Massa: 1,35*1023 kg, equivalent a 0,025 M. Terra.
Els Titans eren fills d'Urà i Gea. Governaven els cels però van ser vençuts per Zeus i la seva colla.
Les imatges del vol de la Voyager I de 1980, preses des de 4.000 km, només van mostrar que tenia una atmosfera de color taronja, formada per N i compostos de carboni, però no van revelar res del seu interior.
L'atmosfera també té aprox. un 6 % d'argó i menor proporció de metà, que predomina en l'alta atmosfera. També hi ha altres compostos com età, cianhídric, diòxid de carboni i aigua.
Se sospita que s'assembla a la de la Terra abans del començament o aparició de la vida.
Sembla que és meitat gel i meitat roca, potser amb un nucli de roca de 3.400 km ∅ i després capes de gel i roca a sobre.
Densitat 1,88. És més dens que els altre satèl·lits perquè la seva major massa el fa comprimir.
Pressió atmosfèrica 1,5 bar.
No té camp magnètic i a intervals surt de la magnetosfera de Saturn i queda exposat al vent solar.
Temperatura: 94 K = -178 ºC. A aquesta temperatura el gel no sublima, i per això hi ha poc vapor d'aigua a l'atmosfera.
A la seva atmosfera s'ha apreciat núvols alts variables i una capa contínua més avall.
Pot ser que els núvols produeixin una pluja de metà/età i que a la seva superfície hi pugui haver mars o oceans d'età líquid.
A partir d'imatges en IR de l'HST sembla que hi ha un continent clar en l'hemisferi que va de cara a la seva òrbita, i que hi ha regions clares i fosques diferenciades.
Gràcies a aquestes observacions, l'HST ha mostrat que la seva rotació és sincrònica, com la de molts altres satèl·lits, i fa una volta en 15,94542 dies. Velocitat orbital 5,58 km/s.
Excentricitat òrbita: 0,0292.
Inclinació òrbita: 0,33º.
Albedo: 0,21
Magnitud relativa: 8,28.
V. imatges de Tità, mapa Mercator i lloc d'arribada de la Huygens.
Temes pendents respecte a Tità:
− Hi ha líquid a la seva superfície?
− El seu interior encara és calent?
− Per què té una atmosfera densa mentre que els altres grans satèl·lits del SS no en tenen?
− És possible que tingui vida malgrat la seva temperatura extremament freda?
S'espera que el mapa de radar fet per l'orbitador Cassini i la sonda Huygens aportaran les dades necesàries per aclarir-ho.
Construcció
L'orbitador Cassini és feta pel JPL per compte de la NASA.
La sonda Huygens és feta per l'ESA, al sud de França, amb les bateries i alguns instruments provinents dels EUA.
L'antena de plata d'alta ganància de l'orbitador és feta per l'Agència Espacial Italiana.
A més d'aquesta antena d'alta ganància, l'orbitador també en té una de baixa. Potser degut al fracàs de la Galileo, la Cassini no duu cap antena desplegable.
La Cassini-Huygens és la sonda més complexa mai construïda, només les 2 Phobos russes arribaven a pesar més.
Fa 6,8 m alt i 4 m d'amplada (∅).
Pes de l'orbitador: 2.150 kg.
Pes de la Huygens: 318-319 kg, dels quals 30 són d'equipament per processar les dades i transmetre-les a l'orbitador.
Pes del combustible: 3.132 kg.
En total més de 5.600 kg.
Comunicacions
S'ha fet proves prèvies de comunicació entre les dues sondes i proves de la Huygens cada 6 mesos. La comprovació del seu estat del set 03 va ser del tot satisfactòria.
Les comunicacions cap a la Terra es duran a terme amb les antenes de la Deep Space Network, a Goldstone (desert de Mojave, Califòrnia), a Madrid i a Canberra (Austràlia).
La potència de transmissió de l'orbitador és de 20 W.
La Deep Space Network pertany a la NASA i suporta:
− Les comunicacions durant les missions interplanetàries, recollint telemetria i dades científiques (variacions en radioones per experiments científics), enviant ordres de comandament, seguiment de posició i velocitat, .
− Fa observacions de radar i astronòmiques, com interferometria de molt llarga
− També algunes missions rellevants en òrbita terrestre.
Lògicament també segueixen i controlen el rendiment de la xarxa.
Les dades de la Huygens es rebran a Darmstadt, Alemanya.
Trajecte
Llançament 15 oct 97, amb un coet Titan IV-Centaur.
Ha fet diverses assistències gravitatòries: 2 a Venus.
1 a la Terra.
1 a Júpiter.
Dades de la trajectòria prevista inicialment (l'any 2001 es va haver de modificar):
− 15 oct 97 Llançament.
− 23 mar 98 Primer periheli.
− 21 abr 98 1r pas per Venus.
− 25 jun 99 2n pas per Venus.
− 27 jun 99 Segon periheli.
− 16 ago 99 Pas per la Terra.
− 30 des 00 Pas per Júpiter.
− 11 jun 04 Aproximació a 2.000 km del satèl·lit Febe.
− 1 jul 04 Creua el pla dels anells i arribada a Saturn.
− 6 nov 04 Separació de la Huygens de l'orbitador. (data modificada posteriorment)
− 27 nov 04 Entrada de la Huygens a Tità. (data modificada posteriorment)
− 25 jun 08 Final de la missió.
El pas a prop d'un asteroide, tal com va fer la Galileo, es va ometre per estalviar costos.
Millenium Flyby
Així es va anomenar el pas de la sonda Cassini-Huygens per Júpiter a finals de 2000, al mateix temps que també hi havia la Galileo
Estrictament parlant, no és el primer cas d'observació simultània d'un astre per diferents aparells (cas dels satèl·lits terrestres o dels 2 Vikings a Mart), però sí que és el primer cop que 2 missions independents ho fan a un planeta gegant i des de distàcies semblants.
Les 2 naus no es va comunicar entre si perquè no podien ni feia cap falta.
La Cassini podia fotografiar tot Júpiter en 3*3 fotos (devia passar més lluny), mentre que la Galileo podia fer fotos de major resolució.
La Cassini va recollir informació durant 4,5 dies i la va transmetre a la Terra en 1/2 dia.
Màxim acostament entre les dues sondes: 7,24 Mkm.
Màxima aproximació de la Cassini a Júpiter 9,7 Mkm, sense entrar en la magnetosfera.
Increment de velocitat en el pas per Júpiter: 2,2 km/s, amb una acceleració petita però actuant (de manera no uniforme) durant setmanes.
No va passar a prop dels satèl·lits galileans.
Modificació del calendari
Posteriorment es va modificar el calendari de les operacions a Tità, que es va endarrerir 7 setmanes. Aquesta modificació es va establir el juny 2001 perquè es van adonar que hi hauria un problema de telecomunicacions entre la Huygens i l'orbitador que no s'havia previst. Aquest problema és que l'orbitador havia de passar molt a prop de Tità, o sigui amb una velocitat relativa respecte a la sonda excessivament alta, la qual cosa produeix un efecte Doppler en la radiofreqüència que no hauria quedat prou compensat i hauria provocat la pèrdua de dades.
Per resoldre això s'ha previst que l'orbitador estigui més lluny durant el descens de la Huygens i així minvarà l'inconvenient de l'efecte Doppler. L'orbitador volarà doncs a 65.000 km per sobre de Tità, que és la distància inicialment prevista*50. Degut a aquest increment de la distància caldrà despertar la Huygens més aviat del que estava previst i preescalfar-la.
Quan la Cassini-Huygens arribi a Saturn i Tità, farà primerament 3 òrbites (més curtes del que estava previst) en lloc de 2, per assolir una adequada geometria en el moment de la separació de la Huygens, i a partir de feb 2005 ja prosseguirà amb el programa original.
Aquests canvis consumiran d'1/4 a 1/3 del carburant que es duu de reserva per a imprevistos o bé per allargar la missió més enllà del seu final previst.
. El calendari actual és aquest:
− 26 oct 04 1ª aproximació a Tità.
− 13 des 2ª aproximació a Tità.
− 25 des Separació de la Huygens. (i no el 6 nov)
− 14 gen 05 Baixada a Tità. (i no el 27 nov)
Programació
Atesa la llarga durada del viatge, de més de 7 anys, es va millorant el programari i es va carregant durant el trajecte.
Energia
Com que ha de viatjar molt lluny del Sol no es pot alimentar amb panells solars, de manera que s'alimenta amb l'electricitat produïda per generadors termoelèctrics de radioisòtops, que converteixen la calor procedent de la desintegració de plutoni directament en electricitat, sense passar per energia mecànica.
Això es fa a base d'un termoparell format per dos metalls diferents en anell tancat. Si les dues soldadures estan a diferent temperatura es genera un corrent elèctric.
Aquests generadors van dur polèmica pel seu potencial perill en el moment del llançament i del pas per la Terra, però les sondes Galileo i Ulisses s'alimenten pel mateix procediment. La potència total disponible és de 628 W garantida al cap d'11 anys.
Innovacions
El giny espacial és pioner en diversos aspectes:
− Aparell estàtic d'enregistrament de dades, sense parts mòbils.
− Ordinador amb una nova família de xips electrònics.
− Els interruptors d'energia són d'estat sòlid i no provoquen transitoris.
Objectius de la sonda Cassini
− Determinar l'estructura tridimensional i el comportament dinàmic dels anells.
− Determinar la composició de la superfície dels satèl·lits i la història geològica de cada un.
− Determinar la natura i origen del material fosc en l'hemisferi davanter de Japet.
− Mesurar l'estructura tridimensional i el comportament dinàmic de la magnetosfera.
− Estudiar el comportament dinàmic de l'atmosfera de Saturn al nivell dels núvols.
− Estudiar la variació temporal dels núvols i boires de Tità.
− Caracteritzar la superfície de Tità a escala regional.
Tasques previstes de les dues sondes:
− Estudi detallat de l'atmosfera, anells (espaiat, amplada i composició) i magnetosfera de Saturn.
− Estudi en proximitat dels satèl·lits, p. ex. la causa d'una superfície tan llisa d'Enceladus i veure si és que els seus cràters han estat esborrats, i també la diferència d'albedo entre els dos hemisferis de Japet (la 1/2 del davant és molt fosca i la 1/2 del darrera molt brillant, amb una brusca línia de separació).
− Estudi de l'atmosfera i superfície de Tità.
L'atmosfera de Tità és un 50 % més densa que la de la Terra. És composta de N i O, però amb l'O liquat en forma d'aigua gelada. També té altres hidrocarburs, com metà i età.
L'orbitador estudiarà amb radar la possibilitat que la superfície de Tità estigui en part coberta amb llacs d'hidrocarburs en estat líquid.
La química orgànica de Tità pot donar claus de la formació de la vida a la Terra.
Experiments científics
Hi ha previstos 12 experiments científics a la Cassini i 6 a la Huygens.
A l'orbitador Cassini:
− Fotos en llum visible i UV i IR pròxims.
− Radar per fer un mapa de la superfície de Tità.
− Sistema científic de ràdio: Cerca d'ones gravitacionals, estudi de l'atmosfera, anells i camps gravitatori de Saturn i els satèl·lits.
− Espectròmetre de masses: Estudi de les partícules pròximes a Tità, Saturns i els seus satèl·lits.
− Espectròmetre visual i IR: Identificació de la composició química de superfícies, anells i atmosferes a través de l'anàlisi de la llum.
− Espectròmetre IR: Mesurament de l'energia IR i estudiar temperatures i composicions.
− Analitzador de pols còsmica i de gel.
− Aparell de ràdio i plasma: Estudi de les ones de plasma i emissions de ràdio.
− Espectròmetre de plasma: Exploració del plasma en el camp magnètic de Saturn.
− Espectrògraf d'imatge UV: Mesurament d'energia en UV en l'estudi d'atmosferes i anells.
− Instrument d'imatge magnetosfèrica: Estudi de l'estructura i propietats físiques de l'atmosfera.
− Magnetòmetre dual: Estudi del camp magnètic de Saturn i les seva interacció amb el vent solar, els anells i els satèl·lits.
A la sonda Huygens:
− Captador d'imatges i radiòmetre espectral: Obtenció d'imatges i temperatura de partícules en l'atmosfera i la superfície de Tità.
− Instrument d'estructura atmosfèrica: Estructura i propietats físiques de l'atmosfera.
− Cromatògraf de gas i espectròmetre de masses: Composició dels gasos i partícules de l'atmosfera.
− Pirolitzador d'aerosols: Estudi dels núvols i partícules en suspensió.
− Conjunt d'estudi de la superfície.
− Experiment Doppler del vent: Efecte dels vents durant el descens.
Objectius de la sonda Huygens
La sonda Huygens durà un laboratori robotizat per investigar els núvols, atmosfera i superfície de Tità.
Anirà prenent mesuraments de la boirina que hi ha sobre els núvols. Mesurarà la temperatura, pressió, densitat i balanç energètic de l'atmosfera.
Una càmera farà fotos.
Duu instruments que estudiaran a distància les propietats de la superfície i que també ho farien en el cas hipotètic d'un aterratge suau sobre una superfície sòlida, o fins i tot sobre una superfície líquida. Aquesta darrera fase podria durar una 1/2 h, o sigui 3 h en total des de l'inici del descens.
Anirà transmetent dades mentre l'orbitador estigui sobre l'horitzó i les pugui rebre.
El descens
Caurà a Tità 3 setmanes (22 dies) després d'haver-se desprès de l'orbitador.
Fa 2,7 m ∅.
La sonda "es despertarà" automàticament 45 m abans d'arribar a l'atmosfera de Tità.
Totes les operacions s'han de realitzar automàticament ja que no hi ha temps per llegir la situació i trametre instruccions en temps real. Degut a la distància a la Terra, durant aquesta missió els senyals tardaran de 68 a 84 m, en tots dos sentits.
El 1m la velocitat haurà de baixar de 20.000 a 300 km/h a base de frenat per l'atmosfera. Per això durà un escut de frenat i protecció tèrmica.
El material d'aquest escut és semblant al de la llançadora espacial i el seu pes és de 100 kg ≈ 1/3 del pes total de la Huygens.
Durant el frenat la temperatura pujarà fins a 1.700 ºC en menys d'1 m, però a dintre de la sonda no superarà les 150º.
Primer s'obrirà un paracaigudes convencional i després un de troncocònic, per a major estabilitat.
El paracaigudes principal fa 9 m ∅ i es desplegarà a 170 km d'altura.
30 s després de l'obertura del paracaigues es desprendrà la protecció tèrmica per alleugerir el pes.
La baixada durarà de 2 a 2,5 h i serà en aquest temps quan recollirà la majoria de les dades.
L'orbitador estarà escoltant la Huygens durant un total de 3 h i després girarà l'antena cap a la Terra per enviar les dades de seguida.
JM. Casals
