Dupa ce in luna mai isi sarbatorise al saptelea an de la lansare, satelitul japonez Hayabusa s-a reintors duminica pe Pamant in ciuda evenimentelor care l-au insotit in complicata sa misiune in spatiu-stabilind astfel o premiera aerospatiala- pentru prima data in istorie fiind reusita prelevarea unor probe de pe o suprafata atat de mica cum este cea a unui asteroid (pana acum singurele probe prelevate care au ajuns pe Pamant fiind cele de pe Luna).
Hayabusa, denumita initial Muses C a fost lansata pe 9 mai 2003 de la baza spatiala Kagoshima la bordul unei rachete MV5 cu scopul declarat de a investiga asteroidul Itokawa (identificator 25143 sau 1998 SF36 mai tarziu redenumit dupa Hideo Itokawa parintele programului spatial japonez) ce zboara undeva la 300 milioane de km de Pamant.
Misiunea era una ambitioasa care presupunea trimiterea satelitului spre micul asteroid (540 x 270 x270 m), intalnirea, apropierea de acesta, coborarea unui mic lander, prelevarea de probe si apoi inscrierea pe o traiectorie care ar urma sa il aduca inapoi pe Pamant impreuna cu acestea.
Hayabusa nu este primul satelit din aceasta clasa stiintifica- si alti sateliti au explorat suprafetele unor asteroizi cum ar fi Galileo lansat in 1989 (care a investigat asteroizii 951 Gaspra si 243 Ida) si Near lansat in 1996 care a studiat asteroizii 433 Eros si 253 Mathilde) dar asa cum spuneam ar fi pentru prima data cand fragmente din solul acestora s-ar putea reintoarce pe Pamant.
Era o continuare a programului Muses care mai avusese pana atunci inca doua platforme lansate: Muses A (Hilten) un satelit lansat in anul 1990 si Muses B (Halca) lansat in anul 1997, ambele experimentale al caror tel principal era testarea unor noi tehnologii in conditiile defavorabile din spatiul cosmic.
Ca si aceste doua platforme mentionate anterior si Hayabusa era un satelit inovator din punct de vedere tehnologic preluand solutia cu propulsie ionica pentru calatoriile interplanetare de la misiunile NASA anterioare, avand un sistem autonom de navigatie (“autonomous optical navigation and guidance”), avand un mecanism automat de colectare a datelor (“automated sampling mechanism”) si o capsula de reintrare in atmosfera (direct reentry of recovery capsule).
Dezvoltarea misiunii Hayabusa a suferit pe parcursul timpului numeroase modificari. Initial satelitul trebuia lansat in iulie 2002 avand ca tinta asteroidul 1989 ML, dar ulterior tinta a fost modificata pentru asteroidul 4660 Nereus. In anul 2000, luna februarie, din cauza pierderii satelitului Astro E s-a decis suspendarea lansarilor folosind racheta MV si drept urmare fereastra deschisa pentru studierea lui Nereus a disparut. In consecinta s-a decis schimbarea tintei in favoarea lui Itokawa.
De asemenea, initial era prevazuta participarea NASA prin laboratorul JPL care urma sa contribuie cu experienta sa tehnologica la dezvoltarea unui mic rover numit Muses-CN, dar ulterior in noiembrie 2000 aceasta s-a retras din cauza unor probleme de finantare a proiectului. JAXA a trebuit sa preia initiativa si sa dezvolte din resurse proprii acest rover.
In sfarsit lansarea prevazuta pentru decembrie 2002 a trebuit amanata pentru mai 2003 din cauza unor noi probleme aparute la sistemul de control al rachetei.
MV este o racheta derivata din mai vechea varianta M-3SII, construita in trei trepte toate bazate pe combustibil solid si care a zburat in diferite configuratii in functie de tipul de misiune executat. In greutate totala de aproximativ 200 de tone, racheta este propulsata de trei motoare: un motor de tip M14 pentru treapta intai, furnizand o forta de 3800 kN, un motor de tip M24 sau M25 (in functie de scenariul lansarii) in treapta a doua furnizand 1245 kN sau respectiv 1350kN, si un motor de tip M34 furnizand 327 kN pentru treapta a treia. Acestora li se adauga un modul de control si insertie orbitala KM-V1 cu o tractiune de 51.9 kN care realizeaza plasarea pe orbita finala a satelitului.
Hayabusa al carei cost de program s-a situat undeva intre 12-18 miliarde de yeni japonezi (aproximativ 100-170 milioane de dolari la nivelul anului 2003) are dimensiunile de 1.5 x 1.5 x 1.05 m si a cantarit la lansare 530 kg dintre care 115 kg combustibil (50 kg de combustibil conventional si 65 kg de xenon).
Controlul satelitului pe orbita se realizeaza fie cu ajutorul propulsiei clasice orbitale pe baza de N2O4/N2H4 furnizand 22N fie cu ajutorul a patru motoare ionice (purtand indicativele A,B,C,D) furnizand intre 5.3 si 23.6mN la un consum energetic de 1kW.
Pentru corectii fine exista si un ansamblu de “reaction wheels” operand in cele trei directii ortogonale, care furnizeaza un moment maxim de 4Nm la o rotatie de 5100 rpm si lucreaza in conjunctie cu un accelerometru si un senzor de referinta inertiala.
In plus sistemul de navigatie dispune si de o camera stelara cu un CCD de 266 x 384 pixeli si cu o rezolutie de 375 arcsec si de 4 LRF “laser range finders”.
Sistemul electric este intretinut de 2 panouri solare pe baza de GaAs, cu o suprafata totala de 12 m2 si o anvergura de 5.7 m, generand aproximativ 700kW (nominal la o distanta de 1 AU). Mai departe energia este inmagazinata intr-un sistem de baterii pe tehnologie Ni-MH cu o capacitate totala de 15Ah.
Antena principala cu diametrul de 1.6 m a fost montata pe un mecanism cu doua grade de libertate, in afara structurii propriu zise si a asigurat comunicatia in banda X cu statiile de sol, avand o putere de transmisie de pana la 20W si la o rata de pana la 8192 bps (rezultand un maxim de 5MB pe zi). Separat au existat si antene secundare-2 MGA (medium gain antenna) si 4 LGA (low gain antenna), capabile sa preia comunicatia fie in banda S fie in banda X.
Frecventa nominala de comunicatie cu satelitul a fost de 7156 MHz pentru transmiterea comenzilor si 8408 pentru descarcarea telemetriei.
Sistemul de management central al satelitului (asa numitul “data handling subsystem”) este contruit in configuratie dubla (pentru a asigura protectia in cazul unor defectiuni) si este conectat la un hard disk (DR sau “data recorder”) pentru stocarea datelor achizitionate in timpul periodelor de non-vizibilitate cu operatorii de pe Pamant.
Partea cea mai interesanta si spectaculoasa este insa achizitia succesiva a 2 mostre de pe suprafata asteroidului. Echipat cu un cap pirotehnic special de 40 cm lungime sonda urma sa produca explozii controlate prin ejectarea la viteza de 200-300 m/s a unor proiectile de 10 grame care prin penetrarea suprafetei asteroidului ar produce un mic “nor” de praf si particule ce urmau sa ajunga in camere speciale de stocare
La bordul satelitului au fost montate mai multe instrumente stiintifice:
-LIDAR (Light Detection and Ranging) este un radar altimetru care masoara in permanenta distanta intre satelit si suprafata asteroidului prin evaluarea intervalului de timp intre emiterea unui puls radar spre suprafata si receptia lui inapoi la bord
-NIRS (Near Infrared Spectrometer) este un spectrometru in infrarosu in care lumina este redirectata spre un fotodetector pe baza de InGaAs. Cu ajutorul lui se poate face o analiza a compozitiei minerale a asteroidului.
-XRS (X-ray fluorescence spectrometer) este un spectrometru care scaneaza in gama x cu ajutorul a 4 CCD-uri special construite reusind detectarea compozitiei chimice si distributia elementelor componente in masa asteroidului.
-ONC-W (Optical navigational Wide view Camera) este o camera folosita de sistemul de navigatie a satelitului
-AMICA (Telescopic Camera) este o camera operand in spectrul de radiatie vizibil, infrarosu apropiat, si ultraviolet apropiat construita in jurul unui CCD de 1024 x 1024 pixeli.
-Target Marker este un sistem folosit de sistemul de navigatie in faza de descindere finala la suprafata asteroidului
In plus exista o capsula de colectare si transport a datelor (Sampler and Reentry Capsule) si un mini rover (Small Rover Minerva).
Capsula ce urma sa se reintoarca pe Pamant, poate cea mai importanta parte a intregului ansamblu, are 40 cm in diametru si o inaltime de 25 cm, cantarind 16.5 kg.
Atasata dispozitivului de colectare a mostrelor de sol, are o forma convexa special adaptata scenariului la care trebuie sa reziste in timpul descinderii in atmosfera terestra, acolo unde va atinge viteze de pana la 13 km/s, acceleratii de 25 g si temperaturi de cateva zeci de ori mai mari decat ale capsulei Apollo. De aceea a fost protejata termic prin montarea unui scut de protectie cu grosimea de 3 cm.
“Landerul” Minerva in greutate de 591g cu forma cilindrica 10 x12 cm, a fost proiectat sa produca imagini detaliate ale suprafetei asteroidului si sa le transmita mai departe sondei mama care trebuia sa le redirecteze spre Pamant.
Scenariul initial de zbor era unul extrem de complex.
Motoarele ionice trebuiau activate in mai 2003 reusind pana in iunie sa plaseze satelitul pe o orbita de intalnire cu asteroidul. Aceasta urma sa se produca in teorie in iunie 2005.
Pentru o perioada de timp satelitul ar fi trebuit sa ramana intr-o orbita heliocentrica in apropierea asteroidului dupa care ar fi trebuit sa coboare la o altitudine de 20 km (“approach phase”) de unde timp de trei luni ar fi trebuit sa faca observatii asupra suprafetei solului.
Mai tarziu in noiembrie 2005, altitudinea ar fi trebuit scazuta si mai mult pentru a permite observatii amanuntite (“gate position” intre 10 si 20 km si “home position” intre 3 si 10 km) si in final prelevarea celor 3 mostre de sol. Fiecare achizitie insemna deplasarea satelitului de la distanta de observatie nominala pana in apropierea suprafetei asteroidului si apoi contactul scurt (1s) a capului pirotehnic urmata de indepartarea de sol si revenirea la traiectoria initiala.
In tot acest timp satelitul ar fi trebuit sa fie controlat in exclusivitate de sistemul autonom de navigatie comunicatia cu Pamantul fiind dificila din cauza non-vizibilitatii.
In final in aprilie 2007, satelitul urma sa isi reporneasca motoarele, sa se indeparteze de Itokawa si sa se reinscrie pe o traiectorie ce l-ar aduce in apropierea Pamantului undeva la o departare maxima de 300.000-400.000 km de acesta. Teoretic de la aceasta distanta operatorii de sol ar fi trebuit sa intervina pentru corectarea traiectoriei si apropierea ei de Pamant, iar ulterior o data cu traversarea atmosferei, capsula aflata la bord ar urma sa fie ejectata la o viteza relativa de 0.2 m/s si o frecventa de rotatie de 0.2 Hz, si sa intre pe o traiectorie balistica in iunie 2007 urmand sa aterizeze undeva pe teritoriul australian de unde ar trebui recuperata. La o inaltime de 8-12 km o parasuta atasata sistemului ar trebui sa se desfasoare automat si sa limiteze viteza de coborare pana la valoarea de 6 m/s. La atingerea solului, pentru ca suprafata unde aceasta ar putea cadea este estimata intr-o arie de 150 x 20 km, deci facand destul de dificila cautarea, capsula ar trebui sa emita un semnal special la frecventa de 242 Mhz care ar trebui in principiu sa usureze localizarea si recuperarea ei.
In practica insa, problemele care au urmarit misiunea inca din faza de proiectare nu au ocolit-o nici pe orbita, astfel ca scenariul initial a trebuit adaptat din mers.
In 2003, in timp ce Hayabusa se afla in traiectoria sa spre Itokawa, o furtuna solara a stricat o buna parte din celulele panourilor solare, reducand substantial nivelul de electricitate pe care acestea puteau sa il furnizeze la bord.
Pe 19 mai 2004, Hayabusa a folosit gravitatia terestra pentru intrarea intr-o orbita ce i-ar fi permis apropierea de asteroid. Atunci a trecut cel mai aproape de Pamant la o distanta de 3700 km deasupra Oceanului Pacific si a folosit din plin puterea furnizata de motoarele sale pentru a accelera si a modifica cursul traiectoriei. Cu acest prilej instrumentele stiintifice au fost folosite pentru a fotografia Pamantul si Luna si deopotriva pentru a fi calibrate.
Cu toate acestea, datorita defectiunii electrice de care aminteam anterior, subalimentate, motoarele ionice au subperformat la randul lor astfel ca drumul spre asteroidul Itokawa s-a desfasurat la o viteza redusa si in consecinta a durat mai mult cu aproximativ 3 luni (atingerea tintei finale a fost amanata din iunie pana in septembrie 2005).
In septembrie 2005, satelitul a ajuns la asteroidul Itokawa si a inceput campania de observatii. Au fost realizate investigatii de la diferite altitudini (variind intre 3 si 20 km) ce au vizat forma, terenul, reflectanta, compozitia minerala, gravitatia etc informatii care au furnizat indicii despre procesul de formare al asteroizilor.
Pentru ca fereastra de zbor era una fixa si satelitul trebuia sa paraseasca asteroidul la o data fixa in luna noiembrie, in practica timpul petrecut pentru observatii a trebuit diminuat de la ceea ce se dorea initial (in fapt doar 2 din cele 3 descinderi la suprafata au putut fi realizate).
Mai mult in iulie si octombrie 2005 doua dintre “reaction wheels” instalate la bord s-au stricat lasand satelitul fara posibilitatea de control fin in jurul a doua axe. Intregul scenariu de zbor a trebuit regandit in asa fel incat sa foloseasca cele doua motoare ionice pentru controlul pozitiei.
In sfarsit, pe 12 noiembrie s-a incercat coborarea mini-roverului la suprafata asteroidului pentru a putea colecta imagini de aproape. Din pacate comanda de coborare a roverului din satelit a interferat cu sistemul automat de control orbital al satelitului. Acesta setat pe modul “home position” adica pastrarea unei distante constante fata de suprafata asteroidului a primit masuratori de la altimetru care indicau scaderea altitudinii de croaziera la numai 44 m si autonom a comandat activarea celor doua motoare si marirea altitudinii de zbor. Din pacate aceasta manevra a avut un impact direct asupra roverului acesta desprinzandu-se la o altitudine mai mare decat cea planificata, iar cum suprafata asteroidului este una mica, acesta a scapat atractiei gravitationale fiind pierdut definitiv in spatiu.
Pe 19 noiembrie Hayabusa a incercat pentru prima data aterizarea pe asteroid si colectarea de particule de la suprafata insa JAXA nu a putut confirma 100% ca acest lucru s-a reusit pentru ca statiile de sol au pierdut contactul cu satelitul. Daca initial s-a crezut ca satelitul s-a oprit la circa 10m de suprafata, ulterior prin analizarea telemetriei de bord s-a stabilit ca de fapt acesta a coborat complet dar pentru ca unul din senzori a semnalizat aparitia unui obstacol in traiectoria descendenta softwareul de bord a trecut din modul nominal de coborare intr-o subrutina “safe mode” care a inhibat observatiile stiintifice astfel ca este greu de crezut ca secventa ce urma sa activeze proiectilul a mai fost executata. Totusi specialistii au sperat ca macar prin atingerea capului pirotehnic de sol cateva particule au ramas atasate acestuia si au putut trece in camera de colectare.
Mai tarziu, pe 25 noiembrie, sub presiunea inchiderii ferestrei orbitale care ar fi permis reintoarcerea sondei pe Pamant, JAXA a avut o a doua tentativa dar si de aceasta data satelitul a trecut in “safe hold mode” (din cauza unei scurgeri de combustibil din sistemul de alimentare al motoarelor) si proiectilele de la bord nu au fost activate.
In primavara lui 2006 in timp ce satelitul se indeparta de asteroid problemele tehnice s-au inmultit, satelitul trecand prin perioade de pierdere a comunicatiei cu solul datorita unui spin necontrolat cauzat de pierderi ale combustibililului de bord. Cu doar 2 dintre cele 4 motoare active si cu 7 baterii ramase din setul de 11 de care dispunea initial, Hayabusa avea totusi resursa suficienta pentru o reintoarcere cu success pe Pamant.
Echipa de control a folosit mai multe artificii tehnice pentru a suplini situatia de fapt incluzand aici eliberarea voluntara a unor cantitati de xenon pentru suplinirea lipsei de propulsie, repornirea partiala a unuia din motoarele defecte sau folosirea lor in completare, reusind in octombrie 2009 sa corecteze traiectoria si sa plaseze satelitul intr-o stare de rotatie controlata care sa ii asigure stabilitatea pozitiei de zbor, iar mai tarziu in noiembrie 2009 sa ii creasca viteza pana la aproape 2000 m/s pentru inscrierea in traiectoria finala.
De curand motoarele ionice de la bord au fost oprite pentru a permite calcularea exacta fara alte interferente aditionale pe care tractiunea motoarelor le-ar putea aduce traiectoriei curente de zbor. Pe urma, in urma unei succesiuni de manevre orbitale- TCM sau “trajectory correction maneuvers”(TCM 0 intre 4 si 6 aprilie, TCM 1 intre 1 si 4 mai, TCM 2 intre 24 si 27 mai, TCM 3 intre 3 si 5 iunie si TCM 4 pe 9 iunie), gratie actiunii motoarelor care a vizat o decelerare si o scadere a vitezei de zbor, distanta s-a redus substantial- mult in interiorul predictiei necesare pentru inscrierea in traiectoria de interceptare a Pamantului care facea posibila recuperarea capsulei de bord - faza finala a misiunii.
Acest lucru s-a intamplat duminica atunci cand satelitul a reintrat in atmosfera Pamantului asemenea unui asteroid si a dat drumul capsulei cu circa 3 ore inainte de aterizare si la o distanta de aproximativ 70.000 km.
Ambele corpuri atat capsula cat si satelitul propriu zis si-au continuat traiectoriile independent iar statiile de sol le-au monitorizat in paralel pentru inca doua ore, pana la pierderea vizibilitatii.
Cu 6 minute inainte de aterizare/finalul misiunii, s-a produs intrarea in atmosfera, la o altitudine de 200 km si cu o viteza de peste 12 km/s, totul in umbra Pamantului pentru a facilita o mai buna observatie. La altitudinea de 100 km cele doua asemenea unor meteoriti au inceput sa arda in atmosfera avand o magnitudine de -5 foarte buna pentru observatorii din Australia.
Satelitul neprotejat termic s-a dezintegrat in timp ce capsula si-a continuat drumul spre sol.
La aproximativ 10 km altitudine scutul termic al capsulei s-a desprins si parasuta de decelerare a fost activata, urmata de desfacerea antenei radio si mai tarziu aterizarea la sol in aria desemnata din Australia, undeva la ora 14:11 GMT.
40 de minute mai tarziu, unul din elicopeterele de cautare a receptionat semnalul de localizare al capsulei.
Echipele de specialisti au gasit capsula in stare aparent buna asa dupa cum dovedesc primele poze oferite publicului de agentia spatiala japoneza.
In urmatoarele saptamani, capsula va fi transferata in laboratoare speciale unde va fi deschisa si continutul analizat. Se spera ca in interior sa fie gasite probe materiale culese de pe asteroid, probe care ar avea o importanta stiintifica deosebita.
In ciuda problemelor cu care s-a confruntat in decursul timpului, Hayabusa s-a dovedit in final o misiune de succes reusind sa treaca peste multe momente grele si sa furnizeze multe informatii folositoare pentru comunitatea stiintifica. Intoarcerea capsulei pe Pamant -un eveniment asteptat cu interes de intreaga lume a sporit si mai mult prestigiul agentiei spatiale japoneze.
credit JAXA