BepiColombo


BepiColombo es una misión conjunta de la Agencia Espacial Europea (ESA) y la Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón (JAXA) al planeta Mercurio . [4] La misión comprende dos satélites lanzados juntos: el Mercury Planetary Orbiter ( MPO ) y Mio ( Mercury Magnetospheric Orbiter , MMO ). [5] La misión llevará a cabo un estudio exhaustivo de Mercurio, incluida la caracterización de su campo magnético , magnetosfera y estructura tanto interior como superficial. Fue lanzado en un Ariane 5 [2]cohete el 20 de octubre de 2018 a las 01:45 UTC, con una llegada a Mercurio prevista para el 5 de diciembre de 2025, después de un sobrevuelo de la Tierra , dos sobrevuelos de Venus y seis sobrevuelos de Mercurio. [1] [6] La misión fue aprobada en noviembre de 2009, después de años de propuesta y planificación como parte del programa Horizon 2000+ de la Agencia Espacial Europea ; [7] es la última misión del programa que se lanzará. [8]

BepiColombo lleva el nombre de Giuseppe "Bepi" Colombo (1920-1984), un científico , matemático e ingeniero de la Universidad de Padua , Italia , quien propuso por primera vez la maniobra de asistencia de gravedad interplanetaria utilizada por la misión Mariner 10 de 1974 , una técnica que ahora se usa con frecuencia. por sondas planetarias.

Mio , el nombre del Mercury Magnetospheric Orbiter, fue seleccionado entre miles de sugerencias del público japonés. En japonés, Mio significa vía fluvial y, según JAXA, simboliza los hitos de investigación y desarrollo alcanzados hasta el momento, y desea un viaje seguro por delante. JAXA dijo que la nave espacial viajará a través del viento solar como un barco que viaja a través del océano. [5] En chino y japonés, Mercurio se conoce como la "estrella de agua" (水星) según wǔxíng .

Después de su sobrevuelo terrestre en abril de 2020, BepiColombo fue confundido brevemente con un asteroide cercano a la Tierra , recibiendo la designación provisional 2020 GL 2 . [9] [10] [11]

La misión incluye tres componentes, que se separarán en naves espaciales independientes al llegar a Mercurio. [12]

  • Módulo de transferencia de mercurio (MTM) para propulsión, construido por la ESA.
  • Mercury Planetary Orbiter (MPO) construido por la ESA.
  • Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO) o Mio construido por JAXA.

Durante las fases de lanzamiento y crucero, estos tres componentes se unen para formar el Mercury Cruise System (MCS).

El contratista principal de la ESA es Airbus Defence and Space . [13] La ESA es responsable de la misión general, el diseño, el montaje de desarrollo y la prueba de los módulos de propulsión y MPO, y el lanzamiento. Los dos orbitadores se lanzaron juntos con éxito el 20 de octubre de 2018, [14] en el vuelo VA245 de Ariane . La nave tendrá un crucero interplanetario de siete años a Mercurio utilizando propulsión solar-eléctrica ( propulsores de iones ) y asistencia de gravedad desde la Tierra , Venus y la eventual captura de gravedad en Mercurio . [1] Se prevé que la estación terrestre de 35 metros de la ESA en Cebreros, España, sea ​​la principal instalación terrestre para las comunicaciones durante todas las fases de la misión.

Al llegar a la órbita de Mercurio el 5 de diciembre de 2025, los satélites Mio y MPO se separarán y observarán Mercurio en colaboración durante un año, con una posible extensión de un año. [1] Los orbitadores están equipados con instrumentos científicos proporcionados por varios países europeos y Japón . La misión caracterizará el núcleo de hierro sólido y líquido ( 34 del radio del planeta) y determinará el tamaño de cada uno. [15] La misión también completará mapeos de campos gravitacionales y magnéticos . Rusia proporcionó espectrómetros de rayos gamma y neutrones para verificar la existencia de hielo de agua en cráteres polares que están permanentemente a la sombra de los rayos solares.

El mercurio es demasiado pequeño y caliente para que su gravedad retenga una atmósfera significativa durante largos períodos de tiempo, pero tiene una " exosfera tenue limitada a la superficie " [16] que contiene hidrógeno , helio , oxígeno , sodio , calcio , potasio y otros oligoelementos. . Su exosfera no es estable ya que los átomos se pierden y reponen continuamente a partir de una variedad de fuentes. La misión estudiará la composición y la dinámica de la exosfera, incluida la generación y el escape.

Objetivos

Los principales objetivos de la misión son: [3] [17]

  • Estudiar el origen y la evolución de un planeta cercano a su estrella madre
  • Estudiar la forma, el interior, la estructura, la geología, la composición y los cráteres de Mercurio.
  • Investigar la exosfera , la composición y la dinámica de Mercurio , incluida la generación y el escape.
  • Estudiar la envoltura magnetizada de Mercurio ( magnetosfera ): estructura y dinámica
  • Investigar el origen del campo magnético de Mercurio
  • Verifique la teoría de la relatividad general de Einstein midiendo los parámetros gamma y beta del formalismo post-Newtoniano parametrizado con alta precisión. [18] [19]

Diseño

Órbitas planificadas para los satélites Mio y MPO, las dos sondas de la misión BepiColombo

La nave espacial apilada tardará siete años en posicionarse para entrar en la órbita de Mercurio. Durante este tiempo, utilizará propulsión solar-eléctrica y nueve asistencias de gravedad, volando más allá de la Tierra y la Luna en abril de 2020, Venus en 2020 y 2021, y seis sobrevuelos de Mercurio entre 2021 y 2025. [1]

La nave espacial apilada salió de la Tierra con un exceso de velocidad hiperbólica de 3.475 km / s (2.159 mi / s). Inicialmente, la nave se colocó en una órbita heliocéntrica similar a la de la Tierra . Después de que tanto la nave espacial como la Tierra completaron una órbita y media, regresó a la Tierra para realizar una maniobra asistida por gravedad y se desvió hacia Venus. Dos sobrevuelos consecutivos de Venus reducen el perihelio cerca de la distancia Sol-Mercurio casi sin necesidad de empuje. Una secuencia de seis sobrevuelos de Mercurio reducirá la velocidad relativa a 1,76 km / s (1,09 mi / s). Después del cuarto sobrevuelo de Mercurio, la nave estará en una órbita similar a la de Mercurio y permanecerá en la vecindad general de Mercurio (ver [1] ). Cuatro arcos de empuje finales reducen la velocidad relativa hasta el punto en que Mercurio capturará "débilmente" la nave espacial el 5 de diciembre de 2025 en órbita polar . Solo se necesita una pequeña maniobra para llevar la nave a una órbita alrededor de Mercurio con un apocentro de 178.000 km. Los orbitadores luego se separan y ajustarán sus órbitas usando propulsores químicos. [20] [21]

Calendario

Animación de la trayectoria de BepiColombo del 20 de octubre de 2018 al 2 de noviembre de 2025
   BepiColombo   ·  Tierra  ·  Venus  ·  Mercurio  ·  Sol
Para una animación más detallada, vea este video.

A partir de 2020, el programa de la misión es: [1]

Animación de la trayectoria de BepiColombo alrededor de Mercurio
Cronología de BepiColombo del 20 de octubre de 2018 al 2 de noviembre de 2025. El círculo rojo indica sobrevuelos.

Historia

La propuesta de misión BepiColombo fue seleccionada por la ESA en 2000. En 2004 se emitió una solicitud de propuestas para la carga útil científica. [24] En 2007, Astrium fue seleccionada como contratista principal y Ariane 5 como vehículo de lanzamiento . [24] El lanzamiento objetivo inicial de julio de 2014 se pospuso varias veces, principalmente debido a retrasos en el desarrollo del sistema de propulsión eléctrica solar . [24] El costo total de la misión se estimó en 2017 en 2.000 millones de dólares EE.UU. [25]

Módulo de transferencia de mercurio

Sobrevuelo de la Tierra el 10 de abril de 2020
"> Reproducir medios
BepiColombo, fotografiado en Northolt Branch Observatories , 16 horas después del sobrevuelo de la Tierra. El satélite brillante que pasa es INSAT-2D , un satélite geoestacionario desaparecido .

El módulo de transferencia de mercurio (MTM) está ubicado en la base de la pila. Su función es llevar a los dos orbitadores científicos a Mercurio y apoyarlos durante el crucero.

El MTM está equipado con un sistema de propulsión eléctrica solar como propulsión principal de la nave espacial. Sus cuatro propulsores de iones QinetiQ -T6 funcionan individualmente o en pares para un empuje combinado máximo de 290 mN, [30] lo que lo convierte en el conjunto de motores de iones más potente jamás operado en el espacio. El MTM suministra energía eléctrica a los dos orbitadores en hibernación, así como a su sistema de propulsión solar eléctrica gracias a dos paneles solares de 14 metros de largo . [31] Dependiendo de la distancia de la sonda al Sol , la potencia generada oscilará entre 7 y 14 kW, requiriendo cada T6 entre 2,5 y 4,5 kW según el nivel de empuje deseado.

El sistema de propulsión solar eléctrica tiene típicamente un impulso específico muy alto y un empuje bajo . Esto conduce a un perfil de vuelo con fases continuas de frenado de bajo empuje de meses de duración, interrumpidas por ayudas de gravedad planetaria , para reducir gradualmente la velocidad de la nave espacial. Momentos antes de la inserción en la órbita de Mercurio, el MTM será descartado de la pila de naves espaciales. [31] Después de la separación del MTM, el MPO proporcionará a Mio toda la energía y los recursos de datos necesarios hasta que Mio sea ​​entregado a la órbita de su misión; La separación de Mio de MPO se logrará mediante expulsión por rotación.

Orbitador planetario de mercurio

Mercury Planetary Orbiter en ESTEC antes de apilar
Prueba de radio del orbitador BepiColombo

El Mercury Planetary Orbiter (MPO) tiene una masa de 1,150 kg (2,540 lb) y utiliza una matriz solar de un solo lado capaz de proporcionar hasta 1000 vatios y con reflectores solares ópticos para mantener su temperatura por debajo de 200 ° C (392 ° F) . La matriz solar requiere una rotación continua manteniendo el Sol en un ángulo de incidencia bajo para generar la energía adecuada y al mismo tiempo limitar la temperatura. [31]

El MPO llevará una carga útil de 11 instrumentos, que incluyen cámaras, espectrómetros (IR, UV, rayos X, rayos γ, neutrones), un radiómetro, un altímetro láser, un magnetómetro, analizadores de partículas, un transpondedor de banda K a , y un acelerómetro. Los componentes de la carga útil están montados en el lado nadir de la nave espacial para lograr bajas temperaturas del detector, además de los espectrómetros MERTIS y PHEBUS ubicados directamente en el radiador principal para proporcionar un mejor campo de visión. [31]

Una antena de alta ganancia de 1,0 m (3 pies 3 pulgadas) de diámetro resistente a altas temperaturas está montada en un brazo corto en el lado cenital de la nave espacial. Las comunicaciones se realizarán en las bandas X y K a con una tasa de bits promedio de 50 kbit / sy un volumen total de datos de 1550 Gbit / año. Está previsto que la estación terrestre de 35 metros de la ESA en Cebreros, España, sea ​​la principal instalación terrestre para las comunicaciones durante todas las fases de la misión. [31]

Carga útil de la ciencia

La carga útil científica del Mercury Planetary Orbiter consta de once instrumentos: [32] [33]

  • Altímetro láser BepiColombo (BELA), desarrollado por DLR en colaboración con la Universidad de Berna , el Instituto Max Planck de Investigación del Sistema Solar (MPS) y el Instituto de Astrofísica de Andalucía . [34]
  • Acelerómetro de resorte italiano (ISA), desarrollado por Italia
  • Magnetómetro de mercurio (MPO-MAG, MERMAG), desarrollado por Alemania y Reino Unido [31]
  • Radiómetro de mercurio y espectrómetro de infrarrojos térmico (MERTIS), desarrollado por Alemania
  • El mercurio de rayos gamma y de neutrones Espectrómetro (MGNS), desarrollado por Rusia
  • Espectrómetro de rayos X de imágenes de mercurio (MIXS), desarrollado y construido por la Universidad de Leicester , el Instituto Max Planck de Investigación del Sistema Solar (MPS) y el Instituto Max Planck de Física Extraterrestre (MPE). [35] [36]
  • Mercurio Orbiter Radio-ciencia Experimento (MAS), desarrollado por Italia y los Estados Unidos
  • Sondeo de la exosfera hermea por espectroscopia ultravioleta (PHEBUS), desarrollado por Francia y Rusia
  • Búsqueda de Relleno de Exosfera y Abundancias Neutras Emitidas (SERENA), [37] compuesto por 2 analizadores de partículas neutras y 2 ionizadas: ELENA (Átomos Neutrales Emitidos de Baja Energía) desarrollado por Italia; STROFIO (inicio de un espectrómetro de masas de campo de rotación) desarrollado por Estados Unidos; [38] MIPA (Analizador de precipitación de iones en miniatura) desarrollado por Suecia ; PICAM (Planetary Ion CAMera) desarrollado por el Instituto de Investigación Espacial (Institut für Weltraumforschung, IWF), el Instituto Ruso de Investigación Espacial (IKI), el Institut de recherche en sciences de l'environnement (CETP / IPSL), el Centro Europeo de Investigación y Tecnología Espacial ( ESTEC), el Instituto de Investigación de Física Nuclear y de Partículas (KFKI-RMKI) y el Instituto Max Planck de Investigación del Sistema Solar (MPS). [39]
  • Espectrómetros e Imagers para MPO BepiColombo Integrated Observatory System (SIMBIO-SYS), cámaras estéreo de alta resolución y un espectrómetro visual y de infrarrojo cercano , desarrollado por Italia, Francia y Suiza
  • Espectrómetro de partículas y rayos X de intensidad solar (SIXS), desarrollado por Finlandia y Reino Unido.

Mio (orbitador magnetosférico de mercurio)

Mio en ESTEC antes de apilar

Mio , o Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO), desarrollado y construido principalmente por Japón , tiene la forma de un prisma octogonal corto, de 180 cm (71 pulgadas) de largo de cara a cara y 90 cm (35 pulgadas) de alto. [3] [40] Tiene una masa de 285 kg (628 lb), incluida una carga útil científica de 45 kg (99 lb) que consta de 5 grupos de instrumentos, 4 para la medición de plasma y polvo realizados por investigadores de Japón y un magnetómetro de Austria . [3] [41] [42]

Mio se estabilizará el giro a 15 rpm con el eje de giro perpendicular al ecuador de Mercurio. Entrará en una órbita polar a una altitud de 590 × 11,640 km (370 × 7,230 mi), fuera de la órbita de MPO. [41] La parte superior e inferior del octágono actúan como radiadores con rejillas para el control activo de la temperatura. Los lados están cubiertos con células solares que proporcionan 90 W. Las comunicaciones con la Tierra se realizarán a través de una antena de alta ganancia en fase de banda X de 0,8 m (2 pies 7 pulgadas) de diámetro y dos antenas de ganancia media que operan en la banda X. La telemetría devolverá 160 Gb / año, aproximadamente 5 kbit / s durante la vida útil de la nave espacial, que se espera sea superior a un año. El sistema de reacción y control se basa en propulsores de gas frío . Después de su lanzamiento en la órbita de Mercurio, Mio será operado por Sagamihara Espacio Centro de Operaciones usando Usuda Deep Space Center 's de 64 m (210 pies) de antena situado en Nagano, Japón . [32]

Carga útil de la ciencia

Mio lleva cinco grupos de instrumentos científicos con una masa total de 45 kg (99 lb): [3] [32]

  • El Experimento de Partículas de Plasma de Mercurio (MPPE), estudia el plasma y las partículas neutras del planeta, su magnetosfera y el viento solar . Empleará estos instrumentos:
    • Analizadores de electrones de mercurio (MEA1 y MEA2)
    • Analizador de iones de mercurio (MIA)
    • Mass Spectrum Analyzer (MSA), desarrollado por el Laboratorio de Física del Plasma (LPP), el Instituto Max Planck de Investigación del Sistema Solar (MPS), IDA de la Universidad Técnica de Braunschweig y el Instituto de Ciencias Espaciales y Astronáuticas (ISAS) [43]
    • Instrumento de partículas de alta energía para electrones (HEP-ele)
    • Instrumento de partículas de alta energía para iones (ion HEP)
    • Analizador de neutros energéticos (ENA)
  • Magnetómetro de mercurio (MMO-MGF), estudia el campo magnético , la magnetosfera y el viento solar interplanetario de Mercurio
  • Investigación de ondas de plasma (PWI), estudia el campo eléctrico, las ondas electromagnéticas y las ondas de radio de la magnetosfera y el viento solar.
  • Generador de imágenes espectrales de atmósfera de mercurio y sodio (MSASI), estudia la fina atmósfera de sodio de mercurio
  • Mercury Dust Monitor (MDM), estudia el polvo del planeta y el espacio interplanetario

Elemento de superficie de mercurio (cancelado)

El elemento de superficie de mercurio (MSE) se canceló en 2003 debido a limitaciones presupuestarias. [8] En el momento de la cancelación, el MSE estaba destinado a ser un módulo de aterrizaje pequeño de 44 kg (97 lb) diseñado para operar durante aproximadamente una semana en la superficie de Mercurio. [20] Con la forma de un disco de 0,9 m (2 pies 11 pulgadas) de diámetro, fue diseñado para aterrizar en una latitud de 85 ° cerca de la región del terminador. Las maniobras de frenado llevarían al módulo de aterrizaje a velocidad cero a una altitud de 120 m (390 pies), momento en el que la unidad de propulsión sería expulsada, las bolsas de aire se inflarían y el módulo caería a la superficie con una velocidad de impacto máxima de 30 m / s (98 pies / s). Los datos científicos serían almacenados a bordo y transmitidos a través de una cruz-dipolo UHF antena ya sea a la MPO o Mio . El MSE habría transportado una carga útil de 7 kg (15 lb) que consistía en un sistema de imágenes (una cámara de descenso y una cámara de superficie), un paquete de flujo de calor y propiedades físicas, un espectrómetro de rayos X de partículas alfa , un magnetómetro , un sismómetro , un dispositivo de penetración del suelo (topo) y un micro- rover . [44]

Al igual que con la misión Hayabusa2 , la misión BepiColombo es el tema de la obra de arte. El artista de manga Masayuki Ishikawa creó una pieza con el personaje Mercury del manga Madowanai Hoshi , así como la nave espacial BepiColombo. [45] [46]

  • Exploración de Mercurio
  • MESSENGER : la primera nave espacial en orbitar Mercurio

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  • Sitio web de BepiColombo de la Agencia Espacial Europea
  • Sitio web de operaciones BepiColombo de la Agencia Espacial Europea
  • Sitio web de BepiColombo por JAXA
  • Sitio web de BepiColombo del Instituto de Ciencias Espaciales y Astronáuticas de JAXA
  • Sitio web de BepiColombo de la NASA 's Solar System Exploration
  • Sitio web de BepiColombo por el Centro Nacional de Datos de Ciencias Espaciales