Rússia lança observatório astronómico Spektr-RG

Resultando de um acordo entre a Agência Espacial Federal da Rússia (Roscosmos) e o Centro Aeroespacial Alemão DLR, o observatório astronómico Spektr-RG foi lançado a partir do Cosmódromo de Baikonur, Cazaquistão, às 1230:56,955UTC do dia 13 de Julho de 2019.

O lançamento foi levado a cabo pelo foguetão  8K82KM Proton-M/DM-03 (1.1) (4924837975 53547/4L) a partir da Plataforma de Lançamento PU-24 do Complexo de Lançamento LC81.


O lançamento ocorre depois de dois adiamentos por causas distintas. Inicialmente previsto para ter lugar às 1217:14UTC do dia 21 de Junho, o lançador era transportado para a plataforma de lançamento a 14 de Junho para permitir a realização de testes no estágio superior Blok DM-03 (1.1). No entanto, uma bateria a bordo do Blok DM-03 (1.1) foi activada antes do previsto no ciclograma da missão, levando à activação do sistema de aquecimento a bordo do Spektr-RG, drenando de forma prematura a bateria não recarregável. Este sistema de aquecimento recebe energia do estágio superior durante o processo inicial de inserção orbital com a duração de duas horas e antes da separação do veículo e a posterior utilização das suas próprias baterias que podem ser recarregadas.

Este incidente levou ao adiamento do lançamento e há necessidade de se proceder à troca da bateria no Blok DM-03 (1.1). O foguetão lançador seria transportado de volta para as instalações de integração e montagem a 22 de Junho. Após a troca da bateria, o veículo seria transportado de volta para o complexo de lançamento a 9 de Julho, com o lançamento previsto para as 1231UTC do dia 12 de Julho.

Porém, a 11 de Julho era anunciado que havia sido detectado um problema no foguetão lançador durante a realização de testes na plataforma de lançamento. Isto levou a um novo adiamento da missão para 13 de Julho.

O Spektr-RG

O acordo para o desenvolvimento do Spektr-RG foi assinado entre a Rússia e a Alemanha a 18 de Agosto de 2009 durante o Salão Internacional de Aviação e Espaço MAKS-2009 que decorreu em Zhukovsky, Rússia.

O observatório irá levar a cabo uma observação total do céu e representa um grande passo em frente na Astronomia de raios-x. Em 1962 o Professor Riccardo Giacconi e a sua equipa identificam pela primeira vez uma emissão de raios-x proveniente do exterior do Sistema Solar (mais precisamente da estrela de neutrões Sco X-1). Mais tarde, em 2002, Riccardo Giacconi seria galardoado com o Prémio Nobel da Física pelo seu feito e pelas seguintes descobertas relacionadas com as fontes de raios-x distantes.

Entre 1970 e 1973 é levada a cabo a primeira observação global do céu na banda de energia 2-20 keV pelo observatório Uhuru da NASA, descobrindo mais de 300 fontes de raios-x na Via Láctea e para lá da nossa galáxia. Entre 1977 e 1979 é levada a cabo uma nova observação global do céu na banda de energia entre 0,25 keV e 180 keV pelo observatório HEAO-1 da NASA.

Operando entre 1989 e 1998, o observatório Soviético Granat leva a cabo uma observação global do céu na banda de energia de 40 keV e 200 keV. No período inicial de quatro anos, o Granat observa muitas fontes de raios-x galácticas e extra-galácticas com ênfase na observação profunda do centro da Via Láctea nas bandas de energia 40 keV a 150 keV e 4 keV a 20 keV. Com o Granat foram criados mapas do centro galáctico em raios-x e raios gama, tendo sido descobertos buracos negros, estrelas de neutrões e o primeiro microquasar.

Entre 1990 e 1999 o observatório ROSAT (DLR / NASA) opera em órbita terrestre e nos seus primeiros seis meses de operação leva a cabo uma profunda observação do céu em raios-x (0,1 keV a 2,4 keV). O observatório descobre mais de 150.000 fontes de raios-x de vários tipos que são combinados para produzir o primeiro mapa de raios-x detalhado de todo o céu.

O Spektr-RG

O Spektr-RG (Спектр-РГ №2720) “Спектр-Рентген-Гамма” / “Spektr-Roentgen-Gamma# é um observatório espacial astrofísico tendo como missão o estudo do Universo na banda de energia de raios-x do espectro electromagnético uma vez atingida a sua posição de observação no ponto Lagrange L2 do sistema Sol-Terra, a uma distância de 1,5 milhões de quilómetros da Terra.

O observatório foi desenvolvido pela Rússia no âmbito do seu Programa Espacial Federal, na secção Pesquisa Espacial Fundamental, por ordem da Academia de Ciências da Rússia com a participação da Alemanha.

Os principais objectivos científicos da missão são a observação integral do céu na banda de energia entre os 0,3 keV e os 11 keV com uma alta sensibilidade, e a realização de um estudo detalhado de objectos astrofísicos seleccionados durante observações subsequentes numa gama de energia mais elevada até os 30 keV.

Assim, o principal objectivo cientifico do observatório Spektr-RG é o mapeamento de todas as estruturas massivas no Universo observável de raios-x. Este mapa será essencial para a resolução das questões fundamentais da moderna Cosmologia: De que forma a energia escura e a matéria escura afectam a formação de estruturas de larga escala no Universo? Qual é a evolução cosmológica dos buracos negros supermassivos?

Espera-se que o Spektr-RG encontre mais de 100.000 conjuntos massivos de galáxias durante o modo de observação de quatro anos, o que literalmente significa todos os objectos deste tipo no Universo observável. Além do mais, deverá detectar cerca de três milhões de buracos negros supermassivos em núcleos galácticos activos, juntamente com centenas de milhar de estrelas com coronas activas e anãs brancas de acreção e dezenas de milhar de galáxias com formação activa de estrelas. Poderá vir a descobrir outros objectos astronómicos de natureza desconhecida. O Spektr-RG irá também estudar o meio interestelar e intergaláctico quente, que é uma fonte de emissão de raios-x.

Com uma massa de 2.712,5 kg, o Spektr-RG transporta uma carga cientifica de 1.210 kg composta por dois instrumentos: os telescópios de raios-x eROSITA e o ART-XC. Ambos os instrumentos exploram os princípios da óptica de incidência tangencial de raios-x. Para serem reflecticos, os fotões de raios-x devem atingir a superfície do espelho num ângulo muito pequeno. Logo, os espelhos de raios-x são muito oblongos e semelhantes a tubos. Para aumentar o número de fotões registados, vários espelhos de diâmetros cada vez maiores são colocados uns sobre os outros e assim, um módulo consiste de várias conchas espelhadas e cada telescópio é composto por sete módulos equipados com detectores de raios-x de alta performance colocados em cada ponto focal.

Tendo como investigador principal Mikhail Pavlinsky, o telescópio ART-XC foi construído pelo Instituto de Investigação Espacial da Academia de Ciências da Rússia (IKI) e pelo Centro Federal Nuclear da Rússia.

O ART-XC prolonga a zona operacional do telescópio eROSITA para energias mais elevadas até 30 keV. As gamas de energia dos telescópios estão sobrepostas proporcionando assim vantagens nas suas calibrações e alta fiabilidade nos seus resultados científicos.

O ART-XC (Astronomical Roentgen Telescope – X-ray Concentrator) opera entre 5 keV e 30 keV, com uma resolução angular de 45 arcseg e um campo de visão de 0,3 (°)2. O telescópio tem uma massa de 350 kg e consome 300 W. O telescópio é composto por 7 módulos de espelhos, tendo 28 conjuntos de espelhos por cada módulo. O comprimento de cada conjunto de espelhos é de 580 mm e os diâmetros variam entre 49 mm e os 145 mm. O comprimento focal é de 2.700 mm. Os espelhos são fabricados em níquel/cobalto e a cobertura é de irídio. Os detectores são DSSD e CdTe, tendo dimensões de 30 x 30 mm. A temperatura operacional dos detectores é de -20ºC.

Os sistemas de espelhos para os telescópios foram fabricados no Centro de Voo Espacial Marshall, NASA. Juntamente com estes, outros sistemas de espelhos foram fabricados no Centro Federal Nuclear da Rússia – Instituto de Investigação Científica para a Física Experimental, que foram instalados no modelo de teste do telescópio e utilizados durante os testes de resistência.

Os detectores semicondutores CdTe, que estão colocados nos pontos focais de cada sistema de espelhos, foram projectados e fabricados no departamento de alta energia do IKI. Um conjunto de detectores inclui sete módulos de detecção com dimensões 30 x 30 x 1 mm cada.

O ART-XC tem como objectivo mapear o céu com um detalhe sem precedentes na gama de energia 5 keV e 11 keV e os pólos eclípticos entre os 5 keV e os 30 keV. Nestas energias o meio interestelar tem um efeito de absorção relativamente pequeno nos fluxos de radiação em comparação com energias mais baixas. Combinada com uma alta resolução angular, esta propriedade é essencial para registar e localizar as fontes de emissões de fortes raios-x no céu. Em particular, deverão ser descobertos mais de um milhar de núcleos galácticos activos e, entre eles, vários milhares de buracos negros supermassivos, escondidos de nós por espessas nuvens de gás e poeiras, em torno da acreção, etc.

O ART-XC irá também obter pela primeira vez uma grande amostra de anãs brancas de acreção e medir as suas massas e outros parâmetros. Irá também registar fontes temporárias de raios-x e procurar por fontes de tipos desconhecidos.

O telescópio eROSITA (ROentgen Survey with an Imaging Telescope Array) tem como principal investigador Peter Predehl e foi desenvolvido pelo Instituto Max Planck para a Física Extraterrestre. O telescópio é baseado num sistema óptico com sete “olhos” para raios-x e sete câmaras colocadas nos seus respectivos planos focais. As ópticas de raios-x consistem em espelhos tubulares cobertos a ouro, onde 54 conjuntos de espelhos formam um módulo.

Desenvolvidas e construídas no Instituto Max Planck para a Física Extraterrestre, as câmaras contêm detectores CCD de raios-x especiais fabricados a partir de silicio altamente purificado. Para uma máxima performance, estas câmaras foram arrefecidas a -95ºC utilizando um complexo sistema de arrefecimento passivo com radiadores e tubagens especiais.

O eROSITA opera entre 0,3 keV e 11 keV, com uma resolução angular de 18 arcseg e um campo de visão de 0,81 (°)2. O telescópio tem uma massa de 815 kg e consome 405 W. O telescópio é composto por 7 módulos de espelhos, tendo 54 conjuntos de espelhos por cada módulo. O comprimento de cada conjunto de espelhos é de 300 mm e os diâmetros variam entre 76 mm e os 358 mm. O comprimento focal é de 1.600 mm. Os espelhos são fabricados em níquel e a cobertura é de ouro. Os detectores são PNCCD e Si, tendo dimensões de 28,8 x 28,8 mm. A temperatura operacional dos detectores é de -95ºC.

Os objectivos do telescópio eROSITA passam por levar a cabo um varrimento do céu nas bandas de energia entre 0,3 keV e 11 keV com uma resolução espectral e angular sem precedentes, que é essencial para posteriores estudos da matéria escura e de outros objectos no Universo.

O telescópio pretende detectar todos os buracos negros obscurecidos em galáxias próximas e muitos (até três milhões) novos distantes núcleos galácticos activos, além de pretender detectar o meio intergaláctico quente de 50 a 100.000 conjuntos de galáxias e filamentos de gás quente entre esses conjuntos para mapear a estrutura a larga escala do Universo para o estudo da evolução da estrutura cósmica.

O eROSITA irá também estudar em detalhe a física das populações de fontes de raios-x galácticas, tais como estrelas localizadas na pré-sequência principal, restos de supernovas e binárias de raios-x.

O Spektr-RG é baseado na plataforma Navigator que foi adaptada para este projecto. Esta plataforma foi desenvolvida como módulo base para sistemas chave adaptáveis para várias cargas e órbitas, tendo sido já utilizada no observatório Spektr-R lançado em 2011 e em dois satélites hidrometeorológicos geostacionários Elektro-L lançados em 2011 e 2015.

Lançamento

O lançamento do Spektr-RG seguiu os procedimentos usuais para o lançamento do foguetão 8K82KM Proton-M/DM-03 com o veículo a ser transportado para a Plataforma de Lançamento PU-39 a 14 de Junho de 2019, permitindo assim a realização de vários testes ao estágio superior 11S861-03 (4L).

A cerca de T-11h 30m tem lugar a activação do equipamento de teste e de suporte de solo relacionado com o sistema de orientação, navegação e controlo do estágio superior. A decisão de prosseguir com o lançamento é tomada cerca de oito horas antes da hora prevista para a ignição e é tomada pelo Comissão Intergovernamental. Nesta altura, a plataforma de lançamento é evacuada de todo o pessoal que não é essencial para as operações. A T-1h 10m dá-se a activação do equipamento de teste e de suporte de solo relacionado com o sistema de orientação, navegação e controlo do foguetão Proton-M e o início do abastecimento dos três estágios inferiores ocorre a T-6h. A T-5h, começam as actividades da contagem decrescente. A plataforma de lançamento é reaberta a T-2h 30m para as operações finais de encerramento do lançador. Pelas T-2h todo o pessoal técnico deve encontrar-se nas suas posições finais para o lançamento.

A torre móvel de serviço começa a ser deslocada para a sua posição de lançamento a T-1h. As actividades finais da contagem decrescente têm início a T-45m. O sinal do sistema de propulsão é gerado pelo equipamento de teste e de suporte de solo do sistema de orientação, navegação e controlo do lançador. As unidades do sistema remoto da contagem decrescente são sincronizadas com o relógio principal da contagem decrescente. O sistema de abortagem é armado a T-35m (uma luz verde no painel de controlo indica que o sistema de finalização de voo está pronto). Duas unidades redundantes na unidade de abortagem de lançamento são sincronizadas com o relógio da contagem decrescente (nesta altura o interruptor da unidade de abortagem está activo).

A T-10m o cliente indica de forma verbal a prontidão para o lançamento. Esta indicação é transmitida através da rede da contagem decrescente que interliga os vários intervenientes na actividade.

O sinal de comando de T-300s é enviado pelo equipamento de teste e de suporte de solo do sistema de orientação, navegação e controlo do lançador para o equipamento semelhante no estágio Briz-M para sincronizar a hora de lançamento. Entretanto o Briz-M inicia a sua transferência para o fornecimento interno de energia. A T-2m o equipamento de teste e de suporte de solo do sistema de orientação, navegação e controlo do lançador começa a transferência para o fornecimento interno de energia (para os três estágios inferiores), enquanto que o estágio Briz-M finaliza este procedimento iniciado anteriormente. Um sinal é enviado pelo Briz-M para o lançador indicando a sua prontidão para o lançamento.

A activação da giro-plataforma teve lugar a T-5,0s e as verificações finais são feitas a T-3,1s pelo equipamento de teste e de suporte de solo do sistema de orientação, navegação e controlo do lançador (verificando a prontidão do lançador, do estágio superior e da sua carga). Se todos os componentes do sistema estiverem prontos, é enviado um sinal para se iniciar a sequência de ignição do primeiro estágio. Os seis motores RD-276 do primeiro estágio do Proton-M entravam em ignição a T-1,76s até atingirem 50% da força nominal. A força aumenta até 100% a T-00,9s e a confirmação para o lançamento surge de imediato. A sequência de ignição verifica se todos os motores estão a funcionar de forma nominal antes de se permitir o lançamento. O foguetão ascende verticalmente durante cerca de 10 segundos. O controlo de arfagem, da ignição e fim de queima dos motores, o tempo de separação da ogiva de protecção e o controlo de atitude, são todos calculados para que os estágios extintos caíam nas zonas pré-determinadas.

Após abandonar a plataforma de lançamento, o foguetão 8K82KM Proton-M/DM-03 inicia uma ascensão vertical e logo de seguida uma manobra para se colocar no azimute de voo que lhe permite levar a cabo com sucesso a sua missão. O veículo atinge a zona de máxima pressão dinâmica a cerca de T+1m 2,4s e a separação entre o primeiro e o segundo estágio ocorre a cerca de T+2m 3,8s. A ignição do segundo estágio ocorre ainda com o primeiro estágio ligado ao segundo através de uma estrutura em grelha através da qual se escapam os gases da combustão.

O final da queima e separação do segundo estágio ocorre a T+5m 31,4s, com o terceiro estágio a entrar em ignição logo de seguida. A ignição do terceiro é iniciada com a entrada em funcionamento dos seus motores vernier.  A separação da carenagem de protecção, agora desnecessária e que serviu para proteger a carga durante a fases mais violenta do lançamento ao atravessar as camadas mais densas da atmosfera terrestre, ocorre a T+5m 44,3s.

O final da queima do motor do terceiro estágio ocorre a T+9m 30s, enquanto que a queima dos motores vernier do terceiro estágio termina a T+9m 43,9s, ocorrendo a separação do estágio DM-03 transportando a sua carga a T+9m 42s. O processo de separação entre o terceiro estágio e o estágio DM-03 seria iniciado com o final da queima dos motores vernier, seguido da quebra das ligações mecânicas entre os dois estágios e da ignição dos retro-foguetões de combustível sólido para afastar o terceiro estágio do DM-03. Nesta altura o conjunto está numa trajectória sub-orbital a uma altitude de cerca de 153 km e a viajar a uma velocidade de 7,23 km/s. Com estes parâmetros orbitais o conjunto iria reentrar na atmosfera terrestre caso o estágio DM-03 não executasse a sua primeira queima tal como previsto.

Imediatamente após a separação entre o terceiro estágio e o estágio DM-03, são accionados os motores de estabilização do estágio superior para eliminar a velocidade angular resultante da separação e proporcionar ao DM-03 a orientação e estabilidade ao longo da trajectória sub-orbital onde se encontra antes da sua primeira ignição.

O estágio superior DM-03 realizaria duas queimas antes da separação do Spektr-RG. A primeira queima tem lugar entre as 1233UTC e as 1235UTC, com a segunda queima a ter lugar entre as 1353UTC e as 1402UTC. 

A separação do Spektr-RG ocorre às 1416UTC. Pelas 1424UTC o observatório deve estabelecer a ligação de telemetria e às 1614UTC termina a manobra de orientação em relação ao Sol com o processo de abertura dos painéis solares terminado.

Num período de três meses após o lançamento, o observatório irá realizar a sua deslocação para o ponto L2, levando a cabo a calibração e teste dos seus instrumentos, e realizando observações de teste. Nos quatro anos seguintes o Spektr-RG irá levar a cabo as suas observações e a partir de 2024 irá realizar a observação de objectos e regiões seleccionadas num modo de estabilização dos seus três eixos espaciais.

O foguetão 8K82KM Proton-M/DM-03

Tal como o 8K82K Proton-K (Прото́н-K), o 8K82KM Proton-M (Прото́н-M) é um lançador a três estágios podendo ser equipado com um estágio superior Briz-M ou então utilizar os usuais estágios Blok DM. As modificações introduzidas no Proton incluem um novo sistema avançado de aviónicos e uma ogiva com o dobro do volume em relação ao 8K82K Proton-K, permitindo assim o transporte de satélites maiores. Em geral este lançador equipado com o estágio Briz-M, construído também pela empresa Khrunichev, é mais poderoso em 20% e tem maior capacidade de carga do que a versão anterior equipada com os estágios Blok DM construídos pela RKK Energia.

O 8K82KM Proton-M/DM-03 em geral tem um comprimento de 53,0 metros, um diâmetro de 7,4 metros e um peso de 712.800 kg. É capaz de colocar uma carga de 21.000 kg numa órbita terrestre baixa a 185 km de altitude ou 2.920 kg numa órbita de transferência para a órbita geossíncrona, desenvolvendo para tal no lançamento uma força de 965.580 kgf. O Proton-M é construído pelo Centro Espacial de Pesquisa e Produção Estadual Khrunichev, tal como o Briz-M.

O estágio superior 11S861-03 Blok DM-03 (Блок ДМ-03) foi desenvolvido com o objectivo de aumentar a performance do foguetão Zenit-3 lançado pela Sea Launch e Land Launch. Em comparação com as versões anteriores, o Blok DM-03 possui tanques de propolente com uma capacidade 25% superior. O estágio está equipado com um motor RD-58M (11D58M) que consome RP-1 e oxigénio líquido. No total foram construídos cinco estágios deste tipo que deverão ser todos utilizados juntamente com o foguetão 8K82KM Proton-M. Posteriormente será introduzida uma nova versão deste estágio superior utilizando o motor 11D58MF.

O primeiro lançamento do foguetão 8K82KM Proton-M/DM-03 teve lugar a 5 de Dezembro de 2010 (1025:18,992UTC) quando o veículo 53537 utilizando o estágio Blok DM-03 (1L) tentou colocou em órbita três satélites de navegação Uragan-M a partir do Cosmódromo de Baikonur (LC81 PU-24). Os satélites não seriam colocados em órbita devido a problemas técnicos registados neste voo inaugural do Blok DM-03.

Dados estatísticos e próximos lançamentos

– Lançamento orbital: 5850

– Lançamento orbital Rússia: 3242 (55,42%)

– Lançamento orbital desde Baikonur: 1492 (25,50% – 46,02%)

Os quadro seguinte mostra os lançamentos previstos e realizados em 2019 por polígono de lançamento.

Os próximos lançamentos orbitais previstos são (hora UTC):

5850 – 14 Jul (2121:00) – GSLV MkIII M1 – Satish Dawan SHAR, SLP – Chandrayaan-2, Vikram, Pragyam

5851 – 17 Jul (1112:00) – Atlas-V/551 (AV-084) – Cabo Canaveral AFS, SLC-41 – AEHF-5; EZ-1

5852 – 20 Jul (1625:00) – 11A511U-FG Soyuz-FG (N15000-069) – Baikonur, LC1 PU-5 – Soyuz MS-13

5853 – 21 Jul (2332:00) – Falcon 9-074 (B1056.2) – Cabo Canaveral AFS, SLC-40 – Dragon SpX-18, RFTSat, MakerSat-1

5854 – 22 Jul (0500:00) – Shuang Quxian-1 – Jiuquan, LC43/95 – CAS-7B/BP-1P juntamente com seis satélites

 

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