Em demanda do GRAIL




A NASA levou a cabo o lançamento da missão GRAIL às 1308:52,775UTC do dia 10 de Setembro de 2011 a partir do Complexo de Lançamento SLC-17B do Cabo Canaveral AFS, utilizando um foguetão Delta-2 7920H-10 (D356).

Apesar de já ter sido visitada pelos astronautas das missões Apollo e estudada por inúmeras sondas, a verdade é que a Lua ainda esconde muitos segredos. Ao mapear o campo gravitacional da Lua com uma precisão e resolução sem precedentes, a missão GRAIL (Gravity Recovery And Interior Laboratory) irá, na sua essência, perscrutar o interior lunar para revelar a sua estrutura interna e a sua história térmica.

A missão da GRAIL

O conhecimento da Lua que será adquirido pela missão GRAIL, será utilizado para compreender as histórias evolutivas de outros corpos rochosos no Sistema Solar: a Terra, Vénus, Marte e Mercúrio. De facto, a Lua é uma peça vital para a compreensão da forma como evoluíram os planetas terrestres.

A missão GRAIL é a análoga lunar da missão GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) levada a cabo por duas sondas lançadas para a órbita terrestre em 2002 e que continuam a operar. A missão GRAIL é implementada com uma carga científica simplificada a partir da missão GRACE e utilizando um modelo de satélite que deriva do satélite XSS-11 (Experimental Small Satellite-11) da Lockheed Martin e que foi lançado em 2005 .

A missão GRAIL colocará dois satélites (GRAIL-A e GRAIL-B) numa órbita lunar polar a 50 km de altitude para levar a cabo medições de alta precisão da distância entre os dois veículos utilizando uma carga de banda Ku. A análise posterior dos dados referentes à distância entre os dois satélites, irá proporcionar uma medição directa da gravidade lunar.

A carga, sistema de voo e desenho da missão garantem que todas as fontes de erro que perturbem as medições de gravidade, são contidas a níveis bem abaixo àqueles necessários para garantir os requisitos científicos.

A curta duração da missão GRAIL (270 dias) inclui um período de mapeamento de 90 dias denominado Fase Científica. Os produtos científicos iniciais estarão disponíveis 30 dias após o início da Fase Científica e serão entregues ao PDS num período de 3 meses.

Incluído nos dois satélites está um sistema ‘E/PO MoonKam‘ que irá fornecer imagens e vídeo da superfície lunar como parte do segmento E/PO e de Colaboração Estudantil da GRAIL.

Objectivos científicos e investigações

A Lua é o mais acessível e o melhor estudado dos corpos rochosos (ou terrestres) para lá da Terra. Ao contrário da Terra, porém, a geologia da superfície lunar preserva o registo de cerca de 4,5 mil milhões de anos de história do Sistema Solar. As observações orbitais combinadas com amostras da superfície trazidas de volta para a Terra, mostram que nenhum outro corpo preserva os registos da história geológica de forma tão clara como a Lua.

A estrutura e composição do interior lunar (e por inferência a natureza e escala temporal da sua estrutura interna e perda de calor) guardam a chave para a reconstrução desta história. Velhas questões tais como a origem dos mares, a razão para a assimetria da espessura da superfície entre o lado oculto e o lado visível e a explicação para a intrigante magnetização das rochas na crosta, todas estas questões requerem uma compreensão melhorada do interior lunar. Decifrando a estrutura do seu interior irá trazer uma compreensão da evolução da própria Lua, e também estender o conhecimento da origem e da evolução térmica da Lua para outros corpos no Sistema Solar interior. Por exemplo, enquanto que em tempos pensou-se que a Lua tinha sido a única a desenvolver «oceanos de magma» pouco tempo após a sua acreção, esse fenómeno foi agora proposto para Marte também.


Esta necessidade de compreender a estrutura interna para reconstruir a evolução planetária, motiva os principais objectivos científicos da GRAIL, que tentam determinar a estrutura do interior da Lua desde a crusta até ao núcleo e procura compreender melhor a evolução térmica do nosso satélite natural. A missão GRAIL deverá cumprir estes objectivos ao levar a cabo medições de alta precisão (<10 mGal ) ao nível global, regional e local (30 x 30 km), a partir de uma órbita polar baixa (50 km) e utilizando um sistema de medição em banda Ka.

A Equipa Científica da GRAIL irá levar a cabo seis investigações para:

• Mapear a estrutura da crusta e litosfera.
• Compreender a evolução térmica assimétrica da Lua.
• Determinar a estrutura da subsuperfície das bases de impacto e a origem dos mascons.
• Verificar a evolução temporal da breciação da crusta e o seu magnetismo.
• Determinar a estrutura interior profunda a partir das marés.
• Estabelecer limites ao tamanho do possível núcleo.Desenho da missão

As sondas GRAIL foram lançadas lado a lado num único foguetão Delta-2 durante uma janela de lançamento de 26 dias que abriu a 8 de Setembro de 2011. A missão foi desenhada para evitar os eclipses lunares de 10 de Dezembro de 2011 e 4 de Junho de 2012 que interferem com a missão. O complexo de Goldstone implementa a aquisição inicial das duas sondas incluindo a fase de abertura dos painéis solares.

A fase de cruzeiro translunar consiste numa transferência de baixa energia de 3,5 meses através do ponto Lagrange L1 (EL1) no sistema Terra – Sol. Em comparação com uma trajectória directa, esta transferência de baixa energia foi escolhida para reduzir os requerimentos de combustível dos dois veículos (em cerca de 130 m/s), para permitir mais tempo para a verificação dos dois veículos e libertação de gases, e para aumentar o número de dias disponíveis no período de lançamento em cada mês.

Ambos os veículos aproximam-se da Lua por debaixo do Pólo Sul onde executam uma manobra de inserção orbital (LOI – Lunar Orbit Insertion) para os colocar numa órbita elíptica com um período ligeiramente superior a 8 horas. A manobra LOI para cada veículo está separada por um dia. Cada LOI é simultaneamente visível a partir dos complexos DSN (Deep Space Network) de Goldstone e Camberra.

 


 

Uma série de quatro manobras são levadas a cabo para reduzir as órbitas para órbitas quase circulares com uma média de 50 km de altitude e um período orbital de 113 minutos. Manobras posteriores posicionam os dois veículos na distância de separação inicial desejada, que depois irá derivar entre 175 km e 225 km.
A Fase Científica de 90 dias é dividida em três ciclos de 27,3 dias orientados para o nadir. Duas passagens de 8 horas permitem à rede DSN obter os dados científicos e da E/PO MoonKam.

Após a Fase Científica (ou fase da missão prolongada), está planeado um período de decomissionamento de 5 dias após o qual os veículos irão impactar na superfície lunar num período de cerca de 40 dias.

As sondas e as suas cargas

As sondas

O desenho das duas sondas GRAIL e os seus componentes derivam da herança do satélite XSS-11. A arquitectura única destes veículos cumpre os requisitos de viabilidade da missão. O desenho resultante cumpre todos os requisitos e requerimentos científicos com amplas margens técnicas que proporcionaram flexibilidade para resolver problemas que possam ter surgido durante o desenvolvimento e que vão ao encontro ou excedem os princípios de desenho estabelecidos pelo JPL (Jet Propulsion Laboratory – Laboratório de Propulsão a Jacto).

A estrutura de cada sonda é uma estrutura rectangular compósita. As antenas de rastreamento da carga científica encontram-se montadas em volumes térmicos e estão colocadas de forma que estão nominalmente na linha entre os centros de massa das duas sondas. Os outros componentes da instrumentação abordo encontram-se num painel interior para fácil integração e teste.


Cada veículo está equipado com dois painéis solares não articulados também derivados do XSS-11. os painéis são abertos logo após a separação do último estágio do lançador. Sistemas de gás quente idênticos aos utilizados no XSS-11 proporcionam a desejada variação de velocidade para manobras e activação dos giroscópios. Componentes adicionais do controlo de atitude incluem uma unidade de medição inercial, sensores solares e detectores estelares.

O sistema C&DH, o sistema de gestão de energia, e a bateria de iões de lítio são também derivados do XSS-11. O sistema de telecomunicações de banda S para comunicações com a rede DSN utiliza componentes derivados das missões Themis e Genesis.

As sondas foram construídas nas instalações da Lockheed Martin em Denver, Colorado, bem como se deu a integração da carga e os testes dos sistemas. A Lockheed Martin utilizou dois laboratórios de teste e um software de simulação para a integração e verificação de todo o equipamento e software ao longo da fase de teste de montagem e ao longo do ciclo de operações de lançamento.

A carga

Para medir a distância entre as duas sondas cada uma delas está equipada com um sistema LGRS (Lunar Gravity Ranging System) em banda Ka que é derivado do instrumento da missão GRACE. Na figura ao lado estão representados os elementos do LGRS.

A verificação da performance do LGRS foi levada a cabo pelo instrumento GRIP (Gravity Recovery Instrument for Planets) do JPL que tem uma capacidade de verificação de performance de nível X e ajustabilidade sub-X numa câmara anecóica de 18 metros.

Operações da missão e ajustamento de dados

O Caltech do JPL irá gerir as operações da missão GRAIL a partir das suas instalações em Pasadema, além de proporcionar navegação e apoio da missão utilizando actuais sistemas operacionais (o Multi-mission Ground System Services e a Deep Space Network). O parceiro industrial da GRAIL, a Lockheed Martin Space System, leva a cabo as operações de voo espacial a partir das suas instalações em Denver que também é utilizada para as missões Mars Odyssey, Mars Reconnaissance Orbiter e Phoenix.

O JPL e a LM possuem uma parceria duradoura e bem sucedida ao longo de mais de 15 anos que foi estabelecida em muitas missões planetárias. Ambas estão bem versadas na utilização de actuais infra-estruturas no solo para montagem, teste e operações de lançamento, além de operações de voo.

O processamento de dados nos Níveis Científicos 0 e 1 serão levados a cabo no JPL com uma reutilização a 90% do software da missão GRACE; o processamento do Nível Científico 2 será feito no JPL, no Centro de Voo Espacial Goddard (GSFC) e no Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT); os produtos avançados e a interpretação científica serão feitos pelas instituições que fazem parte da equipa científica. A entrega final dos produtos científicos para o PDS (Planetary Data System) será feita pelo MIT.

Gestão do projecto

A equipa do GRAIL é composta por uma gestão experiente e pessoal científico com experiência específica em investigações de mapeamento gravitacional da Terra e de outros corpos planetários. O Cientista de Projecto, Sistema de Gestão de Missão e Gestor de Instrumentação da GRAIL tinham os mesmos papéis na missão GRACE.

O foguetão Delta-2 7920H-10

Os foguetões Delta (Delta-2 e Delta-IV) são comercializados pela ULA (United Launch Alliance). Este foi o 356º lançamento de um foguetão da série Delta desde 1960, sendo o 150º Delta 2 a ser utilizado (contando com os dois lançamentos das versões Heavy) e o 3º voo da versão 7920H-10. Os Delta são construídos pela Boeing em Huntington Beach, Califórnia. As diferentes partes do lançador são montadas em Pueblo, Colorado.
A versão 7920H-10 é composta por seis partes principais: o primeiro estágio que é composto pelos propulsores laterais a combustível sólido, o motor principal no corpo principal do lançador, o inter-estágio (que faz a ligação física entre o primeiro e o segundo estágio), o segundo estágio e uma ogiva de 10 pés (3,05 metros) de diâmetro fabricada em materiais compósitos.

O Delta-2 7920H-10 atinge uma altura de 38,71 metros e tem um diâmetro de 2,44 metros (sem entrar em conta com os propulsores sólidos na base). No lançamento tem um peso de 231.871 kg. É capaz de colocar uma carga de 5.959 kg numa órbita terrestre baixa, 2.120 kg para uma órbita de transferência para a órbita geossíncrona ou então 1.000 kg numa órbita heliocêntrica.

 


 

Os nove propulsores laterais GEM-46 (Graphite Epoxy Motor-46), são fabricados pela Alliant Techsystems e cada um pode desenvolver 885 kN no lançamento. Têm um comprimento de 14,66 metros, diâmetro de 1,16 metros e uma massa de 19.140 kg, tendo um tempo de queima de 76 segundos.

O primeiro estágio (Delta Thor XLT-C) tem um peso bruto de 101.697 kg e um peso de 5.888 kg sem combustível. Tem um comprimento de 26,09 metros e um diâmetro de 2,44 metros. Está equipado com um motor RS-27A que tem um peso de 1.027 kg, um diâmetro de 1,07 metros e uma altura de 3,78 metros. No vácuo produz uma força de 1.024 kN no vácuo (890 kN ao nível do mar), tendo um Ies de 264 s e um tempo de queima de 265 s. Consome LOX e querosene altamente refinado (RP-1). O RS-27A é construído pela Rocketdyne.

O segundo estágio do Delta 2 (Delta K) tem um peso bruto de 6.953 kg e um peso de 949 kg sem combustível, tendo um comprimento de 5,9 metros e um diâmetro de 1,7 metros. No vácuo o seu motor Aerojet AJ10-118K (com um peso de 124,74 kg, diâmetro de 1,53 metros e comprimento de 2,68 metros) produz uma força de 43,4 kN, tendo um Ies 318 s e um tempo de queima de 444 s. Consome N2O4 e Aerozine-50.

Imagens: NASA

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