Chang'e 2 (kompendium)

[Scorus]

SEMS

System monitoringu środowiska kosmicznego pozwał na wykonanie pomiarów energii i składu cząstek wiatru słonecznego w czasie lotu na Księżyc i na orbicie okołoksiężycowej. Pozwala to na badania środowiska plazmowego w okolicach Księżyca i jego zmian związanych z aktywnością słoneczną.

SEMS: KONFIGURACJA

Instrument SEMS został umieszczony na panelu -Z sondy Chang'e 2, który w czasie badań powierzchni Księżyca jest skierowana w stronę nadiru. Był on identyczny z analogicznym instrumentem Chang'e 2.

W jego skład wchodziły 2 komponenty: detektor cząstek słonecznych o wysokich energiach (High-Energy Solar Particle Detector - HESPD), oraz detektor jonów wiatru słonecznego o niskich eneregiach (Solar Wind Ion Detector - SWIND).

SEMS: HESPD

Detektor cząstek o wysokich energiach HESPD pozwalał na wykonywanie pomiarów energii protonów, jonów i elektronów wchodzących w skład wiatru słonecznego. Wynikiem pomiarów były spektrogramy energii tych cząstek. Pracował on zarówno w czasie lotu do Księżyca jak i na orbicie księżycowej. Był to teleskop cząstek.

HESPD składał się z trzech detektorów półprzewodnikowych (Solid-State Detector - SSD) oraz jednostki obróbki danych (Signal Processing Subsystem). Wszystkie komponenty były umieszczone w prostopadłościennej obudowie przymocowanej do panelu sondy za pomocą czterech stopek.

Poszczególne detektory SSD były dedykowane dla protonów, jonów i elektronów. Detektor protonów rejestrował te cząstki w całkowitym zakresie energii 4 MeV - 400 MeV w 6 kanałach: P1 (zakres energetyczny 4 MeV - ok. 8 MeV), P2 (8 MeV - ok. 15 MeV), P3 (15 MeV - ok. 32 MeV), P4 (32 MeV - ok. 70 MeV), P5 (70 MeV - ok. 160 MeV), oraz (P6 160 MeV - ok. 400 MeV). Detektor jonów rejestrował jony He przy energiach 13 MeV - ok. 130 MeV, Li (34 MeV - ok. 260 MeV) i C (117 MeV - 730 MeV). Detektor elektronów pracował w dwóch kanałach energetycznych: E1 (≥ 0.095 MeV) oraz E2 (2.2 MeV).

Elektronika HESPD wzmacniałą sygnał z detektorów i kontrolowała stan systemu. Komunikował się z systemem zarządzania danymi instrumentów naukowych sondy (Payload Data Management System - PDMS).

SEMS: SWIND

Detektor jonów wiatru słonecznego o niskich energiach SWIND wykonywał pomiary jonów wiatru słonecznego o energiach do w zakresie od 0.5 do około 20 keV. Pole widzenia maiło wymiary 6.7 x 180 stopni. Rozdzielczość kątowa wyniosła 6.7 x 15 stopni. Czynnik geometryczny wynosił 8.1 - 10^-6 cm^2 sr ke. System ten składał się z dwóch niezależnych jednostek (SWIND A i SWIND B) ustawionych prostopadle do siebie. Każda jednostka była pojedynczym, kompaktowym urządzeniem składającym się z sekcji detekcyjnej zainstalowanej bezpośrednio na obudowie sekcji elektroniki.

Sekcja detekcyjna każdej jednostki SWIND obejmowała kolimator (Collimator), analizator jonów (Ion Analyzer), oraz detektor w postaci płyty mikrokanałowej (Microchannel Plate - MCP) wraz ze wzmacniaczem sygnału. Jony wchodzące do instrumentu przechodziły przez kolimator odrzucający część cząstek a następnie wchodziły do analizatora jonów w postaci analizatora elektrostatycznego (Electrostatic Analyser - ESA). Składał się on z dwóch deflektorów mających postać półsferycznych płyt. Zmiany napięcia przykładanego do wewnętrznej płyty ESA pozwalały na rozdział jonów w zależności od ich energii. Przeprowadzano je przez 48 kroków. W zależności od napięcia do dalszej części urządzenia przechodziły jony których energie znajdują się w określonym przedziale. Jony wychodzące z ESA padały na detektor MCP, który uzyskiwał spektrogram ich energii. Sygnał z MCP był wzmacniany przez jego wzmacniacz i przesyłany do elektroniki LEID.

Elektronika SWIND znajdowała się w prostopadłościennej obudowie przymocowanej do panelu sondy za pomocą czterech stopek. Kontrolowała stan urządzenia, przesyłała komendy, dostarczała wysokiego napięcia na ESA i MCP, a także obrabiała sygnał ze wzmacniacza MCP. Komunikował się z systemem zarządzania danymi instrumentów naukowych sondy (Payload Data Management System - PDMS).

[Scorus]

HISTORIA MISJI

Chiński program księżycowy został po raz pierwszy zaproponowany przez środowisko akademickie w 1991 r. W 1998 r chińska agencja kosmiczna CNSA rozpoczęła definiowanie jego podstawowych założeń. Program podzielono na trzy etapy - budowę orbitera księżycowego, lądownika z łazikiem oraz opracowanie misji pozwalającej na sprowadzenie próbek geologicznych na Ziemię. Każdy etap miał obejmować dwie misje, co pozwalało na zminimalizowanie opuźnień powodowanych przez możliwe niepowodzenia. W 2001 r zdefiniowano podstawowe cele chińskich misji w głębokiej przestrzeni kosmicznej, wskazując na Księżyc jako cel podstawowy umożliwiający rozwój zaawansowanych technologii używanych w skomplikowanych misjach kosmicznych. 23 stycznia 2004 r przyjęto do realizacji projekt budowy chińskiego orbitera księżycowego. Prace nad oboma egzemplarzami orbitera księżycowego zostały rozpoczęte we wrześniu 2004 roku. Po pomylonym przeprowadzeniu misji Chang'e 1 w zapasowym egzemplarzu orbitera wprowadzono szereg usprawnień obejmujących system komunikacyjny, system napędowy, system kontroli orientacji przestrzennej, system zażądania danymi oraz niektóre instrumenty naukowe. Start sondy Chang'e 2 został wstępnie zaplanowany na koniec 2010 r. Podczas przygotowań do misji nie nastąpiły poważniejsze utrudnienia.

[Scorus]

PRZEBIEG MISJI

Sonda Chag'e 2 wystartowała dnia 1 października 2010 r o godzinie 10:59:57.345 UTC. Miejscem startu był kosmodrom Xichang (Xichang Satellite Launch Center - XSLC) położony na płn-wsch. od miejscowości Xichang w Prefekturze Autonomicznej Liangshan Yi, platforma startowa LC2. Rakietą nośną był Long March 3C (CZ-3C). W stosunku do rakiety CZ-3B użytej w misji Chang'e 1 wersja ta posiadała dwa dodatkowe silniki pomocnicze. Pozwalało to na pominięcie etapu stopowego podnoszenia orbity okołoziemskiej. Dzięki temu sonda została skierowana z orbity parkingowej bezpośrednio na trajketorię translunarną, co skróciło czas lotu do Księżyca z 12 do 5 dni. Pierwsze 2 stopnie oraz pierwsze uruchomienie stopnia 3 umieściły pojazd na parkingowej orbicie okołoziemskiej na wysokości 200 km. Następnie drugie uruchomienie stopnia 3 skierowało sondę bezpośrednio na trajektorię transkiężycową (Trans Lunar Iniection - TLI). Była to silnie eliptyczna orbita okołoziemska, charakteryzująca perygeum na wysokości 200 km i apogeum 380 000 km. Nastąpiło to po 24 minutach i 1 sekundzie po starcie. Potem pojazd odzieli się od rakiety, prawidłowo rozłożył panele słoneczne i nawiązał łączność z Ziemią.

[Scorus]

 W czasie lotu do Księżyca uruchomione zostały detektory cząstek wiatru słonecznego. 2 października o godzinie 04:25 UTC odbyła się korekta trajektorii. W jej ramach sonda uruchomiła silnik główny na 70 sekund. Zmiana szybkości wyniosła 16 m/s. Manewr został wykonany bardzo dokładnie, dzięki czemu drógi manewr korekcyjny został anulowany.

Manewr wejścia na orbitę Księżyca (Lunar Orbit Insertion - LOI) odbył się 6 października. Rozpoczął się on o godzinie 03:06:14 UTC. Silnik gówny sondy został uruchomiony na okres 32 minut, co zmniejszyło jej szybkość na tyle, że została wychwycona przez pole grawitacyjne Księżyca. Zmiana szybkości wyniosła 414.03 m/s. Orbita początkowa charakteryzowała się perycentrum na wysokości 119.4 km, apocentrum 8 599.2 km, okresem obiegu 12 godzin i nachyleniem w stosunku do równika 90°.

8 października odbył się manewr obniżający apocentrum orbity do 1830 km. Rozpoczął się o godzinie 02:45 UTC i trwał 17 minut. 9 października odbył się drugi manewr, ukoławiający orbitę. Rozpoczął się o 03:17 UTC i trwał 15 minut. Nowa orbita charakteryzowała się perycentrum na wysokości 100.8 km i apocentrum 102.6 km. Okres obiegu wynosił 118 minut. 26 października wykonano manewr przejścia na orbitę silnie eliptyczną. Pozwolił on na obniżenie perycentrum do wysokości 15 km. Apocentrum pozostało na wysokości około 100 km. Taka orbita pozwalała zarówno na globalne mapowanie Księżyca w średniej rozdzielczości jak i na mapowanie oraz pomiary altymetryczne obszaru planowanego lądowania sondy Chang'e 3 w wysokiej rozdzielczości. 2 listopada rozpoczęto realizację programu naukowego.

W czasie misji księżycowej sonda była obsługiwana przez Pekińskie Centrum Operacji Aerokosmicznych (Beijing Aerospace Control Center - BACC). Orbita sondy była śledzona poprzez pomiary dopplerowskie w paśmie S za pomocą stacji w Qingdao (120.19°E, 36.04°N) i Kashi (76.03°E, 39.51°N). Ponadto wykorzystano sieć VLBI obejmującą stacje w Shanghai i Urumuqi oraz Beijing i Kunming. Sieć VLBI była obsługiwana przez Szanghajskie Obserwatorium Radioastronomiczne (Shanghai Astronomical Observatory - SHAO). Obok standardowego śledzenia wykorzystano też eksperymentalną technikę interferometrii z krótką linią bazową. Służyły do tego dwie anteny oddalone od siebie o 300 metrów. W stosunku do techniki VLBI dyferencyjne jednokierunkowe pomiary odległości (Differential One-way Ranging - DOR) wykonywane z zastosowaniem tego rozwiązana mają szereg zalet. Problemy z synchronizacją czasu pomiędzy stacjami naziemnymi są efektywnie minimalizowane poprzez zastosowanie tego samego źródła czasu i częstotliwości odniesienia w postaci cezowego zegara atomowego 5585B. Ponadto błędy wprowadzone przez środowisko propagacji fal radiowych (troposferę, jonosferę i wiatr słoneczny) są praktycznie takie same dla obu stacji naziemnych, dzięki czemu równoważą się.

W kwietniu 2011 r sonda przekroczyła 6-miesięczny czas gwarantowany czas pracy. Misja nominalna trwała 150 dni i zakończyła się 23 maja 2011 r. W trakcie jej trwania sonda sfotografowała oprawie całą powierzchnię Księżyca. Z powodzeniem wykonała też testy inżynieryjne pod kątem przyszłych misji powierzchniowych. Na sondzie pozostało jeszcze 520 kg opaliwa, dzięki czemu możliwe było wykonanie misji rosszeżonej. W jej ramach wykonała obrazowanie obu stref polarnych.

[Scorus]

 Początkowo rozważane były trzy scenariusze zakończenia misji - kontrolowany spadek na powierzchnię Księżyca, powrót na orbitę okołoziemską, albo przejście na orbitę okołosłoneczną. W przypadku wejścia na orbitę heliocentryczną przeprowadzone zostałyby testy łączności na potrzeby misji sond marsjańskich. Ostatecznie zdecydowano się na umieszczenie sondy na orbicie halo wokół punktu libracji L2 układu Ziemia - Słońce co pozwalało na przetestowanie rozwiązań związanych z prowadzeniem misji na trajektorii niskoenergetycznej.

Sonda opuściła orbitę okołoksiężycową 8 czerwca 2011 r. W tym celu wykonała manewr silnikowy, który rozpoczął się o 09:10 UTC. Następnie sonda znalazła się na trajektorii transferowej do punktu L2.

25 sierpnia 2011 r sonda dotarła na orbitę Lissajousa wokół punktu L2. Lot z orbity okołoksiężycowej trwał 77 dni. Następnie wykorzystywano ją do testów rozwiązań związanych z planowanem trajektorii i śledzeniem orbity okołosłonecznej, a takrze do testów komunikacyjnych. Między innymi wykonano testy łączności z użyciem dwóch nowych stacji naziemnych - w północno wschodniej części regionu autonomicznego Xinjiang - Uygur oraz w północno - wschodniej części prowincji Heilongjiang. Pojazd wykonał też pomiary naukowe cząstek energetycznych w punkcie L2. Uzyskała spektrogramy energii jonów w ogonie magnetosfery Ziemi. Monitorowała też rozbłyski słoneczne i błyski gamma. Po zakończeniu badań w punkcie L2 rozważano trzy scenariusze rozszerzenia misji: lot do punktu L1 układu Ziemia - Słońce; przelot w pobliżu planetoidy typu NEO bądź komety; oraz powrót na orbitę Księżyca. Po oszacowaniu możliwości zmiany szybkości, zdolności transmisji danych i możliwości nawigacyjnych zdecydowano się na przelot koło planetoidy 4179 Toutatis. Tak więc 15 kwietnia 2012 r sonda opuściła orbitę wokół punktu L2. Następnie znalazła się na trajektorii okołosłonecznej.

13 grudnia 2012 r sonda wykonała przelot koło planetoidy Toutatis. Nastąpił on niedługo po bliskim zbliżeniu tej planetoidy do Ziemi, dzięki czemu planetoida była stosunkowo łatwym celem. W czasie przelotu do fotografowania planetoidy zastosowano kamerę inżynieryjną służącą do monitorowania paneli słonecznych. Instrumenty naukowe sondy nie były używane. O godzinie 15:25 UTC panele słoneczne sondy zostały obrócone o 180 stopni tak, aby w jak najmniejszym stopniu zasłaniały pole widzenia kamery. O 15:30 UTC system kontroli orientacji został przełączony na bezwładnością jednostkę odniesienia. O godzinie 15:45 UTC przełączono go na nawigację według gwiazd trybu 10, a o 15:48 UTC - na tryb 2. Kamera monitorująca panele słoneczne została uruchomiona o godzinie 16:20 UTC. Największe zbliżenie do planetoidy nastąpiło o godzinie 08:30:09 UTC. Pojazd minął planetoidę w odległości 3.2 km, z szybkością wynoszącą 10.73 km/s względem niej. Zdjęcia uzyskiwano w odległości od 240 do 93 km. Najlepsze z nich miały rozdzielczość 10 metrów na piksel. O godzinie 16:45 UTC kamera została wyłączona. Przelot zakończył się pełnym sukcesem. Sonda z powodzeniem wykonała i przesłała serię zdjęć planetoidy. Były to 11 odwiedziny planetoidy w historii badań kosmicznych. Uzyskane zdjęcia nie miały rozdzielczości większej niż obrazy radarowe. Charakteryzowały się jednak znacznie lepszym stosunkiem sygnału do szumu pokazują znacznie więcej szczegółów na powierzchni. Tym samym pozwalały na lepsze scharakteryzowanie morfologii powierzchni oraz kształtu planetoidy. Ponadto pozwalały na określenie zmienności albedo powierzchni. Stwarzały też pierwszą okazję do porównania obserwacji radarowych i zdjęć optycznych, co w konsekwencji umożliwiało lepszą interpretację obrazów radarowych.

Po przelocie koło planetoidy Toutatis sonda pozostała na orbicie okołosłonecznej.