Cluster II (nave espacial) - Cluster II (spacecraft)

Cluster II
A constelação do Cluster II.
Impressão artística da constelação de Cluster.
Tipo de missão Pesquisa magnetosférica
Operador ESA com colaboração da NASA
COSPAR ID FM6 (SALSA): 2000-041A
FM7 (SAMBA): 2000-041B
FM5 (RUMBA): 2000-045A
FM8 (TANGO): 2000-045B
SATCAT nº FM6 (SALSA): 26410
FM7 (SAMBA): 26411
FM5 (RUMBA): 26463
FM8 (TANGO): 26464
Local na rede Internet http://sci.esa.int/cluster
Duração da missão planejado: 5 anos
decorridos: 21 anos, 2 meses e 2 dias
Propriedades da espaçonave
Fabricante Airbus (ex. Dornier)
Massa de lançamento 1.200 kg (2.600 lb)
Massa seca 550 kg (1.210 lb)
Massa de carga útil 71 kg (157 lb)
Dimensões 2,9 m × 1,3 m (9,5 pés × 4,3 pés)
Poder 224 watts
Início da missão
Data de lançamento FM6 : 16 de julho de 2000, 12:39 UTC FM7 : 16 de julho de 2000, 12:39 UTC FM5 : 09 de agosto de 2000, 11:13 UTC FM8 : 09 de agosto de 2000, 11:13 UTC ( 16/07/2000UTC12: 39Z )
 ( 16/07/2000UTC12: 39Z )
 ( 2000-08-09UTC11: 13Z )
 ( 2000-08-09UTC11: 13Z )
Foguete Soyuz-U / Fregat
Local de lançamento Baikonur 31/6
Contratante Starsem
Parâmetros orbitais
Sistema de referência Geocêntrico
Regime Órbita Elíptica
Altitude do perigeu FM6 : 16.118 km (10.015 mi)
FM7 : 16.157 km (10.039 mi)
FM5 : 16.022 km (9.956 mi)
FM8 : 12.902 km (8.017 mi)
Altitude de apogeu FM6 : 116.740 km (72.540 mi)
FM7 : 116.654 km (72.485 mi)
FM5 : 116.786 km (72.567 mi)
FM8 : 119.952 km (74.535 mi)
Inclinação FM6 : 135 graus
FM7 : 135 graus
FM5 : 138 graus
FM8 : 134 graus
Período FM6 : 3259 minutos
FM7 : 3257 minutos
FM5 : 3257 minutos
FM8 : 3258 minutos
Época 13 de março de 2014, 11:15:07 UTC
Insígnia da missão Cluster II
Insígnia do sistema solar da ESA para o Cluster II
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INTEGRAL  →
 

Cluster II é uma missão espacial da Agência Espacial Europeia , com a NASA participação, para estudar a Terra 's magnetosfera ao longo de quase dois ciclos solares . A missão é composta por quatro espaçonaves idênticas voando em uma formação tetraédrica . Como uma substituição para a espaçonave Cluster original que foi perdida em uma falha de lançamento em 1996, as quatro espaçonaves Cluster II foram lançadas com sucesso em pares em julho e agosto de 2000 a bordo de dois foguetes Soyuz-Fregat de Baikonur , Cazaquistão . Em fevereiro de 2011, o Cluster II comemorou 10 anos de operações científicas bem-sucedidas no espaço. Em outubro de 2020, sua missão foi estendida até o final de 2022. A missão Double Star da Administração Espacial Nacional da China / ESA operou ao lado do Cluster II de 2004 a 2007.

Visão geral da missão

Os quatro satélites Cluster II idênticos estudam o impacto da atividade do Sol no ambiente espacial da Terra, voando em formação ao redor da Terra. Pela primeira vez na história do espaço, esta missão é capaz de coletar informações tridimensionais sobre como o vento solar interage com a magnetosfera e afeta o espaço próximo à Terra e sua atmosfera , incluindo as auroras .

As espaçonaves são cilíndricas (2,9 x 1,3 m, veja o modelo 3D online ) e giram a 15 rotações por minuto . Após o lançamento, suas células solares forneceram 224 watts de potência para instrumentos e comunicações. A energia do painel solar diminuiu gradualmente com o progresso da missão, devido a danos causados ​​por partículas carregadas de energia, mas isso foi planejado e o nível de energia permanece suficiente para as operações científicas. As quatro naves espaciais manobram em várias formações tetraédricas para estudar a estrutura e os limites magnetosféricos. As distâncias entre as espaçonaves podem ser alteradas e variaram em torno de 4 a 10.000 km. O propelente para a transferência para a órbita operacional e as manobras para variar as distâncias de separação entre as espaçonaves representavam aproximadamente metade do peso de lançamento da espaçonave.

Os altamente elípticas órbitas da sonda inicialmente alcançada uma perigeo de cerca de 4 R E (raios Terra, onde um R E = 6371 km) e um ápice de 19,6 R E . Cada órbita levou aproximadamente 57 horas para ser concluída. A órbita evoluiu com o tempo; a linha de apsides girou para o sul, de modo que a distância na qual a órbita cruzou a folha de corrente do magnetotail reduziu progressivamente e uma ampla gama de latitudes de cruzamento da magnetopausa no lado diurno foram amostradas. Os efeitos gravitacionais impõem um ciclo de mudança de longo prazo na distância do perigeu (e apogeu), que reduziu os perigeu para alguns 100 km em 2011 antes de começar a subir novamente. O plano da órbita girou para longe de uma inclinação de 90 graus. As modificações da órbita pelo ESOC alteraram o período orbital para 54 horas. Todas essas mudanças permitiram que o Cluster visitasse um conjunto muito mais amplo de regiões magnetosféricas importantes do que era possível para a missão inicial de 2 anos, melhorando a amplitude científica da missão.

O Centro Europeu de Operações Espaciais (ESOC) adquire telemetria e distribui para os centros de dados online os dados científicos da espaçonave. O Joint Science Operations Center JSOC no Rutherford Appleton Laboratory no Reino Unido coordena o planejamento científico e, em colaboração com as equipes de instrumentos, fornece solicitações de comando de instrumentos combinados ao ESOC.

O Cluster Science Archive é o arquivo de longo prazo da ESA das missões científicas Cluster e Double Star. Desde 1 de novembro de 2014, é o único ponto de acesso público aos dados científicos e conjuntos de dados de apoio da missão do Cluster. Os dados da Double Star estão publicamente disponíveis através deste arquivo. O Cluster Science Archive está localizado ao lado de todos os outros arquivos científicos da ESA no European Space Astronomy Center , localizado perto de Madrid, Espanha. De fevereiro de 2006 a outubro de 2014, os dados do Cluster puderam ser acessados ​​por meio do Cluster Active Archive .

História

A missão Cluster foi proposta à ESA em 1982 e aprovada em 1986, juntamente com o Observatório Solar e Heliosférico (SOHO) e, juntas, estas duas missões constituíram a "pedra angular" da Física Solar Terrestre do programa de missões Horizon 2000 da ESA. Embora a espaçonave Cluster original tenha sido concluída em 1995, a explosão do foguete Ariane 5 transportando os satélites em 1996 atrasou a missão em quatro anos enquanto novos instrumentos e espaçonaves eram construídos.

Em 16 de julho de 2000, um foguete Soyuz-Fregat do Cosmódromo de Baikonur lançou duas das espaçonaves substitutas do Cluster II (Salsa e Samba) em uma órbita de estacionamento de onde manobraram com sua própria força para uma órbita de 19.000 por 119.000 quilômetros com um período de 57 horas. Três semanas depois, em 9 de agosto de 2000, outro foguete Soyuz-Fregat ergueu as duas espaçonaves restantes (Rumba e Tango) em órbitas semelhantes. A espaçonave 1, Rumba, também é conhecida como a espaçonave Phoenix , uma vez que é amplamente construída com peças sobressalentes que sobraram após o fracasso da missão original. Após o comissionamento da carga útil, as primeiras medições científicas foram feitas em 1º de fevereiro de 2001.

A Agência Espacial Europeia realizou um concurso para nomear os satélites em todos os estados membros da ESA . Ray Cotton, do Reino Unido , venceu o concurso com os nomes Rumba , Tango , Salsa e Samba . A cidade de residência de Ray, Bristol , foi premiada com modelos em escala dos satélites em reconhecimento à entrada vencedora, bem como a conexão da cidade com os satélites. No entanto, depois de muitos anos armazenados, eles finalmente conseguiram um lar no Laboratório Rutherford Appleton .

Originalmente planejado para durar até o final de 2003, a missão foi prorrogada várias vezes. A primeira prorrogação levou a missão de 2004 a 2005, e a segunda de 2005 a junho de 2009. A missão já foi prorrogada até o final de 2020.

Objetivos científicos

As missões anteriores de uma e duas naves espaciais não foram capazes de fornecer os dados necessários para estudar com precisão os limites da magnetosfera. Como o plasma que constitui a magnetosfera não pode ser visualizado por meio de técnicas de sensoriamento remoto, os satélites devem ser usados ​​para medi-lo in-situ. Quatro espaçonaves permitem que os cientistas façam as medições 3D, resolvidas no tempo, necessárias para criar uma imagem realista das complexas interações de plasma que ocorrem entre as regiões da magnetosfera e entre a magnetosfera e o vento solar.

Cada satélite transporta uma carga útil científica de 11 instrumentos concebidos para estudar as estruturas de plasma de pequena escala no espaço e no tempo nas regiões-chave de plasma: vento solar, choque de arco , magnetopausa , cúspides polares, magnetotail , plasmapause camada limite e sobre as calotas polares e as zonas aurorais.

  • O choque de proa é a região no espaço entre a Terra e o sol onde o vento solar desacelera de supersônico para subsônico antes de ser desviado ao redor da Terra. Ao percorrer essa região, a espaçonave faz medições que ajudam a caracterizar os processos que ocorrem no choque de proa, como a origem de anomalias de fluxo quente e a transmissão de ondas eletromagnéticas pelo choque de proa e a bainha do magneto do vento solar.
  • Atrás do choque de arco está a fina camada de plasma que separa os campos magnéticos da Terra e do vento solar, conhecida como magnetopausa . Este limite se move continuamente devido à variação constante na pressão do vento solar. Uma vez que as pressões plasmáticas e magnéticas dentro do vento solar e da magnetosfera, respectivamente, devem estar em equilíbrio, a magnetosfera deve ser uma fronteira impenetrável. No entanto, o plasma foi observado cruzando a magnetopausa para a magnetosfera pelo vento solar. As medições de quatro pontos do cluster tornam possível rastrear o movimento da magnetopausa, bem como elucidar o mecanismo de penetração do plasma do vento solar.
  • Em duas regiões, uma no hemisfério norte e outra no sul, o campo magnético da Terra é perpendicular em vez de tangencial à magnetopausa. Essas cúspides polares permitem que as partículas do vento solar, consistindo de íons e elétrons, fluam para a magnetosfera. O cluster registra as distribuições de partículas, o que permite que as regiões turbulentas nas cúspides externas sejam caracterizadas.
  • As regiões do campo magnético da Terra que são estendidas pelo vento solar para longe do Sol são conhecidas coletivamente como a cauda magnética . Dois lóbulos que ultrapassam a Lua em comprimento formam o rabo magnético externo, enquanto a folha de plasma central forma o rabo magnético interno, que é altamente ativo. O Cluster monitora partículas da ionosfera e do vento solar à medida que passam pelos lóbulos da cauda magnética. Na folha de plasma central, Cluster determina as origens dos feixes de íons e interrupções nas correntes alinhadas ao campo magnético causadas por subtempestades .
  • A precipitação de partículas carregadas na atmosfera cria um anel de emissão de luz ao redor do pólo magnético conhecido como zona auroral . Cluster mede as variações de tempo de fluxos de partículas transitórias e campos elétricos e magnéticos na região.

Instrumentação em cada satélite Cluster

Número Acrônimo Instrumento Medição Propósito
1 ASPOC Experiência de controle de potencial de nave espacial ativa Regulação do potencial eletrostático da espaçonave Permite a medição por PEACE de elétrons frios (alguns eV de temperatura), de outra forma escondidos por fotoelétrons de espaçonaves
2 CIS Experiência de espectroscopia de íons de cluster Tempos de voo de íons (TOFs) e energias de 0 a 40 keV Composição e distribuição 3D de íons no plasma
3 DWP Instrumento de processamento digital de ondas Coordena as operações dos instrumentos EFW, STAFF, WBD e WHISPER. No nível mais baixo, o DWP fornece sinais elétricos para sincronizar a amostragem do instrumento. No nível mais alto, o DWP permite modos operacionais mais complexos por meio de macros.
4 EDI Instrumento de Deriva de Elétrons Magnitude e direção do campo elétrico E Vetor E , gradientes no campo magnético local B
5 EFW Experiência de campo elétrico e onda Magnitude e direção do campo elétrico E Vetor E , potencial de espaçonave, densidade de elétrons e temperatura
6 FGM Magnetômetro Fluxgate Magnético campo B magnitude e direção Vetor B e gatilho de evento para todos os instrumentos, exceto ASPOC
7 PAZ Elétron de plasma e experimento atual Energias de elétrons de 0,0007 a 30 keV Distribuição 3D de elétrons no plasma
8 RÁPIDO Pesquisa com detectores de imagem de partículas adaptativas Energias de elétrons de 39 a 406 keV, energias de íons de 20 a 450 keV Distribuições 3D de elétrons e íons de alta energia no plasma
9 PESSOAL Análise espaço-temporal do experimento de flutuação de campo Magnitude do campo magnético B e direção das flutuações EM, correlação cruzada de E e B Propriedades de estruturas de corrente de pequena escala, fonte de ondas de plasma e turbulência
10 WBD Receptor de dados de banda larga Medições de alta resolução de tempo de campos elétricos e magnéticos em bandas de frequência selecionadas de 25 Hz a 577 kHz. Ele fornece um novo recurso exclusivo para realizar medições de interferometria de linha de base muito longa (VLBI). Propriedades das ondas de plasma naturais (por exemplo, radiação quilométrica auroral ) na magnetosfera terrestre e suas vizinhanças, incluindo: localização, tamanho e propagação da fonte.
11 SUSSURRAR Ondas de alta frequência e sonda para sondagem de densidade por relaxamento Espectrogramas de campo elétrico E de ondas de plasma terrestre e emissões de rádio na faixa de 2–80 kHz; desencadeamento de ressonâncias de plasma por uma sirene ativa. Localização da origem das ondas por triangulação; densidade de elétrons dentro do intervalo 0,2-80 cm -3

Missão Double Star com China

Em 2003 e 2004, a Administração Espacial Nacional da China lançou os satélites Double Star , TC-1 e TC-2, que trabalharam em conjunto com o Cluster para fazer medições coordenadas principalmente dentro da magnetosfera . O TC-1 parou de operar em 14 de outubro de 2007. Os últimos dados do TC-2 foram recebidos em 2008. O TC-2 fez uma contribuição para a ciência magnetar, bem como para a física magnetosférica. O TC-1 examinou buracos de densidade próximos ao choque de proa da Terra que podem desempenhar um papel na formação do choque de proa e observou as oscilações da folha neutra.

Prêmios

Prêmios da equipe de cluster

Prêmios individuais

Descobertas e marcos de missão

2020

2019

2018

2017

2016

2015

2014

2013

2012

2011

2010

2009

2008

2007

2006

2005

2004

2001–2003

Referências

  • Escoubet, CP; A. Masson; H. Laakso; ML Goldstein (2015). "Destaques recentes do Cluster, a primeira missão magnetosférica 3-D" . Annales Geophysicae . 33 (10): 1221–1235. Bibcode : 2015AnGeo..33.1221E . doi : 10.5194 / angeo-33-1221-2015 .
  • Escoubet, CP; M. Taylor; A. Masson; H. Laakso; J. Volpp; M. Hapgood; ML Goldstein (2013). "Processos dinâmicos no espaço: resultados de cluster" . Annales Geophysicae . 31 (6): 1045–1059. Bibcode : 2013AnGeo..31.1045E . doi : 10.5194 / angeo-31-1045-2013 .
  • Taylor, M .; CP Escoubet; H. Laakso; A. Masson; M. Goldstein (2010). "The Cluster Mission: Space Plasma in Three Dimensions". Em H. Laakso; et al. (eds.). O Arquivo Ativo de Cluster . Astrophysics and Space Science Proceedings. Astrophys. & Space Sci. Proc., Springer. pp. 309–330. doi : 10.1007 / 978-90-481-3499-1_21 . ISBN 978-90-481-3498-4.
  • Escoubet, CP; M. Fehringer; M. Goldstein (2001). “A missão do Cluster” . Annales Geophysicae . 19 (10/12): 1197–1200. Bibcode : 2001AnGeo..19.1197E . doi : 10.5194 / angeo-19-1197-2001 .
  • Escoubet, CP; R. Schmidt; ML Goldstein (1997). "Cluster - Visão geral da ciência e da missão". Revisões da Ciência Espacial . 79 : 11–32. Bibcode : 1997SSRv ... 79 ... 11E . doi : 10.1023 / A: 1004923124586 . S2CID  116954846 .

Publicações selecionadas

Todas as 3511 publicações relacionadas com as missões Cluster e Double Star (contadas a partir de 30 de setembro de 2021) podem ser encontradas na seção de publicações do site da missão ESA Cluster . Destas publicações, 3018 são publicações referenciadas, 342 anais, 121 doutoramentos e 30 outros tipos de teses.

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