Yinghuo-1 (kompendium)

[Scorus]

WPROWADZENIE
Yinghuo-1 (YG-1) jest miniaturowym chińskim orbiterem marsjańskim, będącym pierwszą misją międzyplanetarna tego kraju. Na orbitę Marsa zostanie dostarczony za pośrednictwem sondy Phobos-Grunt. Jego zasadniczym celem jest przetestowanie technologii i rozwiązań koniecznych dla bardziej ambitnych misji międzyplanetarnych. Chodzi tutaj głównie o systemy nawigacyjne i systemy wymiany danych. Do celów naukowych misji zaliczają się badania magnetosfery oraz ucieczki jonów z atmosfery Marsa. W przypadku badań magnetosfery sonda dostarczy informacji na temat struktury szczątkowej magnetosfery planety pod kątem populacji cząstek i charakterystyk pola magnetycznego w różnych jej obszarach. W przypadku badań atmosfery pozwoli na studiowanie jej oddziaływań z wiatrem słonecznym powodujących ucieczkę jonów. Dostarczy to informacji do modeli utraty wody na Marsie. Pomiary cząstek i pól magnetycznych zostaną wykonane wspólnie z sondą Phobos-Grunt, co dostarczy dwupunktowych pomiarów właściwości magnetosfery. Dzięki temu możliwe będą badania ewolucji zjawisk plazmowych i dynamiki środowiska wokół Marsa. Badania otoczenia plazmowego Marsa dostarczą też danych porównawczych dla modeli ewolucji magnetosfer planet typu ziemskiego. Sonda wykona ponadto pomiary właściwości szczątkowej jonosfery planety oraz dostarczy zdjęć jej powierzchni. Tym samym dzięki tej misji chińscy naukowcy uzyskają możliwość udziału w międzynarodowych badaniach Marsa w bardzo prosty sposób.

Nazwa misji oznacza dosłownie "świetlik". Ponadto jest to starochińskie określenie Marsa: Ying - czerwony, Huo - nieprzewidywalny (odniesienie do specyficznego ruchu na sferze niebieskiej).

[Scorus]

KONSTRUKCJA
Sonda Yinghuo-1 ma kształt prostopadłościanu o wymiarach 750 x 750 x 650 mm. Jej masa wynosi 115 kg. Jest to więc niezwykle mały statek kosmiczny, zwłaszcza jak na misję planetarną. W czasie startu i lotu na Marsa pojazd będzie znajdował się wewnątrz kratownicowego łącznika pomiędzy lądownikiem Phobos-Grunt a jego blokiem napędowym. Elementy mechanizmu mocującego i uwalniającego znajdują się w dolnej części korpusu pojazdu.

Energii elektrycznej dostarczają dwa skrzydła paneli słonecznych umieszczone po bokach sondy w jej górnej części. Nie mają one zdolności obracania się za Słońcem. Każde skrzydło składa się z 3 prostokątnych paneli fotowoltaicznych. Całkowita rozpiętość tego systemu to 6.85 m. Na końcu jednego z paneli słonecznych znajduje się struktura podpierająca magnetometr. W czasie startu i lotu na Marsa panele będą złożone po bokach korpusu sondy. Zostaną rozłożone dopiero po uwolnieniu pojazdu na orbicie okołomarsjańskiej. Będzie to najbardziej newralgiczny moment misji, ponieważ panele w stanie złożonym będą znajdować się przez 11 miesięcy. W tym czasie będą narażone na gwałtowne zmiany temperatury. W czasie testów zademonstrowano zdolność do rozkładania paneli po przechowywaniu przez 24 godziny w temperaturze -180°C, czyli o 30 stopni niższej niż najniższe przewidywane temperatury w czasie misji. Na orbicie okołomarsjańskiej panele dostarczą średnio 110W mocy (maksymalnie 190W). Wyprodukowana energia będzie zużywana na bieżąco, a także będzie ładować baterie chemiczne używane w czasie przejść przez cień Marsa. Będą on trwały około 8 godzin. W czasie lotu międzyplanetarnego pojazd będzie zasilany przez lądownik Phobos-Grunt.

Pojazd jest stabilizowany trójosiowo za pomocą kół reakcyjnych. Danych nawigacyjnych dostarczają szperacze gwiazd oraz sensory Słońca. Kontrolę temperatury wewnętrznej zapewnia wielowarstwowa izolacja, grzejniki oraz radiatory umieszczone na powierzchni orbitera.

Łączność z Ziemią zapewnia paraboliczna antena wysokiego zysku ustawiona na górnej powierzchni sondy. Ma ona średnicę 950 mm. System komunikacyjny używana nadajnika pasma X oraz odbiornika pasma X. Jest on zbudowany maksymalnie prosto. Do śledzenia dopplerowskiego sondy w celach nawigacyjnych służy oscylator ultrastabilny (Ultrastable Oscillator - USO). Szybkość transmisji danych wynosi 8 - 16 000 bps.

Głównymi wykonawcami sondy są Shanghai Academy of Spaceflight Technology i Center for Space Science and Applied Research (CSSAR).

[Scorus]

WYPOSAŻENIE
W skład instrumentów naukowych sondy wchodzą: pakiet do badań plazmy sondy Yinguho-1 (Yinguho Plasma Package - YPP); magnetometr transduktorowy (Fluxgate Magnetometer - FGM); oraz monitor optyczny (Optical Monitor). Orbiter wykona też eksperyment zakrycia radiowego (Radio Occultation Experiment) wraz z sondą Phobos-Grunt.

Wszystkie instrumenty współdzielą wspólny system zarządzania danymi (Payload Data Management System - PDMS). Masa ładunku użytecznego wynosi 11 kg, a pobór mocy - 20W.

[Scorus]

YPP
Pakiet do badań plazmy sondy Yinguho-1 (Yinguho Plasma Package - YPP)  służy do rejestracji właściwości plazmy (składu, temperatury i szybkości przepływu) o energiach średnich i niskich (0.02 keV - 10 keV). Do celów naukowych instrumentu zaliczają się: badania populacji cząstek w różnych obszarach otoczenia plazmowego Marsa; badania oddziaływań plazmy okołomarsjańskiej z wiatrem słonecznym i jej zmian w czasie; badania oddziaływań wiatru słonecznego z jonosferą (transferu energii oraz przepływu masy z wiatry słonecznego do jonosfery i górnej atmosfery)  oraz badania mechanizmu utraty głównych jonów  (O+, O2+, CO2+) z górnej części atmosfery planety. W przypadku utraty jonów instrument pozwoli na monitorowanie całkowitej utraty gazu atmosferycznego oraz procesów tworzenia i rozpędzania jonów. Wraz z magnetometrem system ten dostarczy pierwszych kompletnych pomiarów charakterystyk plazmy wokół Marsa.

YPP: KONFIGURACJA
System YPP znajduje się na jednym z paneli bocznych oraz na panelu dolnym sondy Yinguho-1. W jego skład wchodzą: analizator jonów 1 (YPP Ion Analyzer 1 - YPP-i1); analizator jonów 2 (YPP Ion Analyzer 2 - YPP-i1 ); analizator elektronów (YPP Electron Analyzer - YPP-e); oraz jednostka elektroniki (YPP Electronics Unit). Poszczególne analizatory zawierają własne zasilacze wysokiego napięcia, wzmacniacze i elementy elektroniki odzyskiwania informacji zmontowane razem z deflektorami i detektorami.

YPP: YPP-i
Analizatory jonów YPP-i1 i YPP-i2 są standardowymi analizatorami elektrostatycznymi. Są identyczne. W otworze wejściowym znajduje się deflektor w kształcie dzwona. Jest on złożony z dwóch płyt odchylających trajektorie jonów. Określa pole widzenia analizatora. Ma ono wymiary 360 x 160 stopni. Pomiary mogą być prowadzone w kierunku polarnym, ale nie w azymutalnym. Pole elektryczne pomiędzy płytami pozwala na rozdzielanie przybywających cząstek w zależności od kąta z którego nadlatują. Może być zmieniane w zakresie od -3 500V do 0V.  Zmiany woltażu zmieniają kierunek pomiarów. Można je wykonywać w 8 sektorach. Pod deflektorem znajduje się właściwy analizator elektrostatyczny. Ma on postać kopuły złożonej z dwóch ścian. Do ściany wewnętrznej przyłożone jest napięcie zmieniane w zakresie od -3 500V do 20V. Napięcie na ścianie zewnętrznej wynosi 0V. Zmiany napięcia przykładanego do ściany wewnętrznej pozwalają na rozdział cząstek w zależności od ich energii. W zależności od napięcia do dalszej części urządzenia przechodzą cząstki których energie znajdują się w określonym przedziale. Urządzenie pracuje w zakresie 20 eV - 15 keV. Rozdzielczość pomiarów energii wynosi 7%. Masy jonów są określane z użyciem spektrometrii czasu przelotu cząstki (Time of Flight Spectrometry - TOF). Po przejściu przez analizator jony wchodzą do komórki TOF. Składa się ona z powierzchni START, powierzchni STOP oraz dwóch ceramicznych kanałowych powielaczy elektronów (Ceramic Channel Electron Multiplier - CCEM) będących detektorami. Jony uderzają w powierzchni START i powodują powstanie wtórnych elektronów. Są one zbierane przez CCEM START produkując impuls START. Następnie są odbijane na powierzchnię STOP. Wybijają tam wtórne elektrony zbierane przez CCEM STOP. Produkuje to impuls STOP. Czas pomiędzy impulsami pozwala na określenie szybkości jonów, a wraz z ich znaną energią - na określenie ich masy. Intensywność impulsu STOP pozwala też na określenie liczebności jonów. Urządzenie pozwala na zidentyfikowanie jonów o masach 1, 2, 4, 8, 16 i powyżej 32u (do 44u). Usuwanie słonecznego promieniowania UV umożliwia pułapka pochłaniająca fotony ultrafioletu.

Oba sensory jonów wykonują pomiary tylko w kierunku polarnym. Ponieważ w otoczeniu Marsa rozkład przestrzenny jonów jest prawdopodobnie silnie niejednorodny (obecne są strumienie jonów) zastosowano dwa identyczne sensory, co zapewniło optymalną rozdzielczość przestrzenną. Pola widzenia obu sensorów pokrywają się w pewnym stopniu.

Sensory jonów został opracowane przez Szwedzki Instytut Fizyki Kosmicznej (Swedish Institute for Space Physics - IRF) w Kirunie. Są oparte na sensorze SWIM (Solar Wind Monitor) systemu SARA (Sub keV Atom Reflecting Analyzer) sondy Chandrayaan-1. Identyczny sensor - DIM (Detector for Ions at Mars) zastsowano też na sondzie Phobos - Grunt. Wchodzi tam w skład systemu  PhPMS (Phobos - Grunt Plasma and Magnetic Measurements System). Na tej konstrukcji bazuje też urządzenie MIPA (Miniature Ion Precipitation Analyzer) orbitera MPO (Mercury Planetry Orbiter) misji Bepi Colombo. Jest ono składnikiem systemu SERENA (Search for Exospheric Refilling and Emitted Natural Abundances). Inny instrument tej serii - PRIMA (PRISMA Ion Analyzer) zastosowano na szwedzkim satelicie inżynieryjnym PRISMA (Prototype Research Instruments and Space Mission Advancement) umieszczonym na orbicie 15 czerwca 2010r. Elektronika sensorów jonów została opracowana przez chińskie Narodowe Centrum Badań Kosmicznych (National Space Science Center - NSSC). W programie badawczym uczestniczy też austriacki  Insytut Badań Kosmicznych IWF w Graz.

YPP: YPP-e
Sensor elektronów YPP-e jest również analizatorem elektrostatycznym. Jest złożony z dwóch połączonych jednostek, co zapewnia maksymalne pole widzenia. Ma ono całkowite wymiary 9 x 120 stopni. Każda z jednostek składa się z deflektora elektronów, właściwego analizatora elektrostatycznego oraz detektora w postaci CCEM. Rozkład przestrzenny elektronów jest znacznie bardziej jednorodny niż rozkład jonów. Sensor mógł więc zostać uproszony. Wykonuje tylko dwuwymiarowe pomiary w płaszczyźnie zbliżonej do płaszczyzny równika Marsa. Zmiany napięcia pomiędzy płytami deflektora dokonywane są w zakresie 0 - 3000 V. Pozwala to na pomiary w 8 sektorach w kierunku azymutalnym. Pole widzenia jednej jednostki ma wymiary 9 x 60 stopni. Napięcie na wewnętrznej ścianie analizatora elektrostatycznego jest zmieniane w zakresie 20 - 3000V względem ściany zewnętrznej (0V) co pozwala na pomiary energii elektronów w zakresie 20 eV - 15 keV. Rozdzielczość pomiarów energii wynosi 15%. Elektrony wychodzące z analizatora elektrostatycznego są zbierane przez detektor CCEM pozwalający na określenie całkowitej ich ilości. Pomiędzy detektorem a analizatorem umieszczona jest pułapka pochłaniająca fotony UV. Zmniejsza to szum tła.

YPP: YPP Electronics Unit
Jednostka elektroniki systemu znajduje się wewnątrz pojazdu. Jest pojedyncza, ale analizatory jonów oraz analizator elektronów posiadają oddzielne płyty analizy danych (Digital Processing Unit - DPU). System ten odbiera dane z analizatorów, formatuje je i przesyła do systemu zarządzania danymi z instrumentów sondy. Ponadto zawiera zasilacze  +5V, +12V i -12V.

Pakiet do analizy plazmy działa w zaprogramowanym wcześniej trybie. Każdy analizator jonów wykonuje pomiary w 96 kanałach energetycznych w 8 kierunkach w czasie 24 sekund (każdy krok trwa 32.15 ms). Produkuje w tym czasie 32 spektrogramy masowe. Szybkość produkcji danych wynosi 18.5 kbps. Analizator elektronów wykonuje pomiary w 32 kanałach energetycznych w 8 kierunkach w czasie 8 sekund. Szybkość produkcji danych wynosi 1 kbps. Ponieważ zdolność wymiany danych jest mocno ograniczona, system zarządzający instrumentami sondy może wykonywać kompresję sumując dane w różnych wymiarach (energii, kierunku i czasu). Pozwala to na zoptymalizowanie produkcji danych.

[Scorus]

FGM
Magnetometr transduktorowy sondy Yinghuo-1 wraz z pakietem do badań plazmy pozwala na badania środowiska wokół Marsa. Do jego celów naukowych zaliczają się: badania konfiguracji pola magnetycznego w różnych obszarach szczątkowej magnetosfery Marsa i w jonosferze; badania oddziaływań pola magnetycznego z wiatrem słonecznym; oraz dostarczenie pomiarów pola magnetycznego na potrzeby analizy danych z pakietu do badań plazmy. Wraz z magnetometrami systemu PhPMS sondy Phobos-Grunt dostarczy on pierwszych dwupunktowych pomiarów pola magnetycznego wokół Marsa.

Instrument znajduje się na strukturze podpierającej zainstalowanej na końcu jednego ze skrzydeł paneli słonecznych. Pozwala to na jego oddalenie od korpusu sondy zakłócającego pomiary. Instrument składa się z dwóch sensorów transduktorowych oddalonych od siebie o 45 centymetrów. Sensor wewnętrzny dokonuje pomiarów pola magnetycznego produkowanego przez statek. Ich odjęcie od pomiarów sensora zewnętrznego pozwala na określenie parametrów planetarnego pola magnetycznego z dużą dokładnością. Sensor zewnętrzny jest położymy w odległości 3.2 m od środka sondy.

Sensor zewnętrzny ma masę 265 g, a wewnętrzny - 235 g (łącznie z przyłączem kabla i mocowaniem, bez kabla i struktury podpierającej). Każdy z nich ma wymiary 102.2 x 58 x 50 mm. Jednostka obróbki danych ma masę 2 300 g. Ma ona wymiary 270 x 210 x 58 mm. Całkowita masa instrumentu bez struktury podpierającej to 2 800 g. Pobór mocy wynosi 6.8 W. Urządzenie może pracować przy temperaturach od -130 do +75 stC.

Oba sensory wykonują pomiary wzdłuż 3 osi. Każda jednostka składa się z 3 elementów dla każdej osi. Jeden element jest złożony z pierścienia wykonanego z materiału który łatwo się magnesuje. Wokół takiego rodzenia nawinięta jest zwojnica. Przez zwojnicę przepuszczany jest zmienny prąd elektryczny. Powoduje on wygenerowanie pola magnetycznego w rdzeniu. Ma ono znaną wartość. Mierzone zewnętrzne pole magnetyczne zaburza symetrię pola indukowanego. Pomiary wynikowego pola magnetycznego są wykonywane dzięki drugiej zwojnicy otaczającej rdzeń. Umożliwiają one obliczenie natężenia zewnętrznego pola magnetycznego.

W czasie pomiarów w trackie misji zakres dynamiczny instrumentu to +/-256 nT (w trybie testowym używanym na Ziemi  +/-65 000 nT). Szum tła jest niższy niż 0.01 nT/Hz. Rozdzielczość pomiarów wynosi 0.1 nT. Maksymalna szybkość produkcji danych wynosi 1024 bps.

Sygnały z sensorów są ucyfrawiane przez 16-bitowy konwerter analogowo - cyfrowy wchodzący w skład jednostki elektroniki instrumentu. Każdy z sensorów posiada oddzielną kartę elektroniki. Następnie są przesyłane do systemu zarządzającego instrumentami naukowymi sondy. Tryby pracy instrumentu mogą być zmieniane przez komendy  z Ziemi.

[Scorus]

Optical Monitor
Monitor optyczny sondy Yinghuo-1 jest zestawem miniaturowych kamer. Posłuży do monitorowania oddzielenia orbitera Yinghuo-1 od sondy Phobos-Grunt. Następnie pozwoli na obrazowanie Marsa, głównie do celów promocyjnych misji. Uzyskane dane pozwolą jednak również na śledzenie zjawisk pogodowych, w tym burz pyłowych. Prawdopodobnie możliwe będzie też fotografowanie Phobosa.

System ten znajduje się w dolnej części sondy Yinghuo-1. W skład systemu wchodzą dwie kamery: kamera szerokokątna (Wide Angle Camera - WAC) oraz kamera wąskokątna (Narow Angle Camera - NAC). Masy obu jednostek wynoszą 1.3 kg, a pobór mocy - 3W.

Kamera WAC charakteryzuje się polem widzenia o wymiarach 38 x 38 stopni. Jest wyposażona w detektor CCD o wielkości 4 mln pikseli. Współczynnik sygnału do szumu wynosi 30 dB. W odległości 10 000 km od Marsa powoli na obrazowanie całej planety. W perycentrum orbity rozdzielczość przestrzenna wyniesie około 0.5 km na piksel. Jej pamięć SDRAM pozwala na zapisanie do 10 pełnych zdjęć.

Kamera NAC charakteryzuje się polem widzenia o wymiarach 20 x 20 stopni. Jest wyposażona w detektor CCD o wielkości również 4 mln pikseli charakteryzujący się współczynnikiem sygnału do szumu na poziomie 30 dB. Jej rozdzielczość przestrzenna będzie lepsza od 0.3 km w perycentrum orbity. Posiada pamięć SDRAM pozwalającą na zapisanie 5 pełnych zdjęć.

[Scorus]

Radio Occultation Experiment
Eksperyment zakrycia radiowego jest wspólnym doświadczeniem, w którym zostanie wykorzystana sonda Phobos-Grunt (w czasie pobytu na orbicie Marsa i na powierzchni Phobosa) oraz orbiter Yinghuo-1. Celem eksperymentu jest wykonanie pomiarów gęstości elektronów w jonosferze Marsa. Umożliwi on uzyskanie profili gęstości elektronów na wysokościach 50 - 300 km ponad powierzchnią.

W eksperymencie wykorzystany zostanie nadajnik na sondzie Phobos-Grunt oraz odbiornik na sondzie Yinghuo-1. Częstotliwości odniesienia dostarczy ponadto oscylator ultrastabilny (Ultra-Stable Oscillator - USO) Phobos-Grunt, ten sam co w przypadku eksperymentu PRIDE-Phobos tej sondy.

Orbity obu sond będą przebiegać w tej samej płaszczyźnie, zbliżonej do płaszczyzny równika Marsa. Okresowo Phobos-Grunt będzie chował się za tarczą Marsa, ale przedtem będzie widoczny z Yinghuo-1. To samo będzie zachodzić po lądowaniu na Phobosie. W trakcie wykonywania eksperymentu nadajnik znajdujący się na Phobos-Grunt będzie transmitował sygnał do Yinghuo-1 przy częstotliwościach 400 MHz i 800 MHz w polaryzacji liniowej. Moc sygnału będzie wynosić 6W. Sygnał będzie następnie odbierany przez odbiornik na Yinghuo-1 w postaci anteny mikropaskowej. Jego czułość wynosi około -145dBm. Częstotliwość próbkowania wynosi 10Hz. Po wzmocnieniu sygnał będzie obrabiany przez system obórki badanych (Data Processing Unit - DPU) odbiornika i wysyłany do systemu zarządzającego instrumentami naukowymi sondy. Masa odbiornika wynosi 3.0 kg, a pobór mocy - 6W.

Na podstawie przesunięcia fazy sygnału odbieranego przez Yinghuo-1 możliwe będzie wyznaczenie całkowitej objętości elektronów (Total Electron Content - TEC) i wyprowadzenie z niego gęstości elektronów na różnych wysokościach nad powierzchnią Marsa. Pomiary takie zostaną wykonane dla wysokości od 50 do 300 km przy kątach Słońce - zenit (Solar - Zenith Angle - SZA) pomiędzy 43 a 138 stopni. Pozwoli to na pomiary właściwości jonosfery w okresie północy. Do tej pory nigdy nie zostało to osiągnięte z powodu kątów Słońce - Ziemia - Mars. Niezależnie sygnał z Yinghuo-1 w czasie chowania się za tarczę Marsa może być odbierany na Ziemi. Dostarczy to pomiarów gęstości elektronów w jonosferze w czasie dnia.

[Scorus]

PLAN PRZEBIEGU MISJI
Sonda Yinghuo-1 wystartuje wraz z sondą Phobos-Grunt. Start jest planowany na listopad 2011r. Pojazd wystartuje za pomocą rakiety Zenit z kosmodromu Bajkonur, stanowisko startowe 45. W czasie lotu międzyplanetarnego i wejścia na orbitę Marsa sonda będzie znajdować się w stanie hibernacji. Okresowo będą wykonywane tylko testy jej systemów.

Uwolnienie sondy nastąpi na początkowej eliptycznej orbicie okołamrsjańskiej misji Phobos-Grunt (Artiffical Mars Orbit - AMS), po 3 obiegach od czasu wejścia na orbitę. Będzie się ona charakteryzować się perycentrum na wysokości około 700 km ponad powierzchnią, apocentrum 7000 km i okresem obiegu około 72 godzin. W czasie misji perycentrum orbity Yinghuo-1 będzie znajdować się w odległości około 800 km od powierzchni Marsa, a apocentrum - w odległości 80 000 km. Planowy okres obiegu będzie wynosił 72.8 godziny. Nachylenie orbity do płaszczyzny równika wyniesie 1 - 7 stopni. Będzie to więc orbita silnie eliptyczna, dogodna do pomiarów cząstek oraz pól magnetycznych. W czasie każdego obiegu pojazd przetnie wszystkie granice plazmowe w szczątkowej magnetosferze. W zależności od etapu misji będzie badał zarówno ogon magnetosfery jak i obszar oddziaływań z wiatrem słonecznym.

W czasie misji na orbicie okołomarsjańskiej przeprowadzone zostaną też testy nowych technik wyznaczania pozycji pojazdu i parametrów jego orbity do celów nawigacyjnych. Będzie to interferometria z bardzo dużą linią bazową (Very Long Baseline Interferometry - VLBI), oraz 1-ścieżkowe śledzenie dopplerowskie. Do tej pory nie były one stosowane w misjach planetarnych. Dokładność wyznaczania orbity wyniesie około 1 km.

Misja nominalna potrwa 1 rok.

[Scorus]

Ilustracje dodatkowe do opisu systemu YPP - część 1.

[Scorus]

Ilustracje dodatkowe do opisu systemu YPP - część 2.

[Scorus]

Ilustracje dodatkowe do opisu systemu YPP - część 3.