Klynge (satellitt)

Beskrivelse av dette bildet, også kommentert nedenfor

En av de fire klyngesatellittene som monteres Generell data

Organisasjon	ESA
Bygger	Airbus DS
Program	Horizon 2000
Felt	Studie av jordens magnetosfære
Konstellasjon	4
Status	Operasjonelt
Start	Salsa og Samba: 16. juli 2000 9. august 2000
Launcher	Soyuz / Fregat
Oppdragets slutt	31. desember 2022 (planlagt)
Livstid	2 år (primær)
COSPAR-identifikator	2000-045A
Nettstedet	[1]

Tekniske egenskaper

Messe ved lansering	1200 kg
Masseinstrumenter	71 kg
Dimensjoner	sylinder: 2,9 m ∅ x 1,3 m (h)
Ergols	Hydrazin og nitrogenperoksid
Drivmasse	650 kg
Holdningskontroll	stabilisert ved rotasjon
Energikilde	solceller
Elektrisk energi	224 Watt

Bane

Bane	Høy elliptisk bane
Perigee	19.000 km
Apogee	119.000 km
Periode	57 timer
Tilbøyelighet	92 °

Hovedinstrumenter

FGM	Magnetometer

Cluster er et oppdrag fra European Space Agency (ESA) som bruker fire satellitter for å studere samspillet mellom solvinden og jordens magnetosfære . Etter ødeleggelsen av satellittene under svikt i Ariane 5-flyet i 1996, ble satellittene rekonstruert identisk og sjøsatt i 2000. Oppdraget, som varte i to år, ble utvidet til flere år ganger og må fortsette til slutten. av 2022.

De fire identiske satellittene , som veier omtrent 1200 kg , flyr i en pyramideformasjon i en meget elliptisk høy polar bane, noe som gjør det mulig å studere i tre dimensjoner de komplekse fysiske fenomenene som finner sted i regionene som ligger øverst. Grensen til magnetosfæren som solvinden ligger an mot . Hver satellitt har elleve instrumenter, inkludert et magnetometer , et instrument for måling av det elektriske feltet , fem instrumenter for måling av bølger og tre instrumenter for måling av partikler.

Oppdraget, sammen med SoHO , som er viet til studiet av solvinden og solen , er en av de fire hjørnesteinene i Den europeiske romfartsorganisasjonens Horizon 2000 vitenskapelige program .

Kontekst

I 1983 gjennomgikk det vitenskapelige programmet til European Space Agency (ESA) en alvorlig finanskrise. Den relativt lille budsjettandelen som ble tildelt opprettelsen av ESA (13% av det totale budsjettet) gjør det ikke mulig å takle de mange merkostnadene som påvirker de forskjellige oppdragene under forberedelse, og forårsaker forsinkelser og kanselleringer. Fysikeren Roger Bonnet, utnevnt samme år som sjef for byråets vitenskapelige program, bestemte seg for å endre planleggingen av denne aktiviteten fundamentalt ved å definere en langsiktig strategi. På slutten av 1983 mottok ESA 77 oppdragsforslag, inkludert 35 innen solsystemfag og 33 knyttet til astronomi. Etter telling og på slutten av et siste møte som finner sted i Venezia 30. mai og1 st juli 1984, det vitenskapelige programmet til den europeiske romfartsorganisasjonen, kalt Horizon 2000 , er frosset de neste 20 årene. Tre klasser av oppdraget er identifisert i henhold til deres kostnad: de tyngste såkalte “hjørnesteiner” representerer to års budsjettet bevilget til vitenskapelige oppdrag, det vil si 400 M ₠ (rundt 200 millioner $ på den tiden). En av hjørnesteinene er par SoHO / Cluster- oppdrag som er ansvarlige for å studere den jordiske magnetosfæren, Solen og dens interaksjoner via solvinden .

Cluster-oppdraget er en del av det internasjonale ISTP- programmet , hvis mål er å måle samspillet mellom solvinden og det jordbaserte magnetfeltet samtidig ved hjelp av flere satellitter .

Vitenskapelige mål

Vitenskapsoppdragene, som er forut for Cluster, har bare en eller to satellitter og var ikke i stand til å gi de dataene som var nødvendige for å studere nøyaktig grensene til magnetosfæren . Fordi plasma som består av magnetosfæren for øyeblikket ikke kan nås ved hjelp av fjernmålingsteknikker, må satellitter brukes til å måle det in situ. Fire romfartøy tillater forskere å foreta 3D-tidsoppløste målinger som trengs for å skape et realistisk bilde av de komplekse plasmainteraksjonene som eksisterer mellom regionene i magnetosfæren og mellom magnetosfæren og solvinden.

De fire identiske Cluster-satellittene studerer den jordiske magnetosfæren som beskytter oss mot solvinden . Cluster-satellittene måler tredimensjonale data om kollisjonen mellom solvinden og jordens magnetfelt, dens variasjoner over tid og effektene på jorden fra nær verdensrommet og på atmosfæren , inkludert pollysene .

Hver satellitt har en vitenskapelig nyttelast med elleve instrumenter designet for å studere omfanget av små plasmastrukturer i rom og tid i viktige regioner i plasma: solvind og sjokkbue , magnetopause , turbinatpoler, halen av magnetosfæren og auroralsonen.

Den sjokk lysbuen (se figuren) er den region av rom mellom jorden og Sun hvor solvinden bremser ned fra super- til subsonisk hastighet før den avbøyes rundt jorden. Mens han krysser denne regionen, tar Cluster målinger for å karakterisere prosessene som forekommer i sjokkbuen, for eksempel opprinnelsen til varme fluksavvik og overføring av elektromagnetiske bølger gjennom sjokkbuen og magnetopausen siden solvinden.

Bak sjokkbuen er det tynne plasmalaget som skiller jordens magnetfelt og solvinden kjent som magnetopause . Denne grensen skifter stadig på grunn av den konstante variasjonen i solvindtrykket. Ettersom trykket i solvinden (plasmatrykk) og magnetosfæren ( magnetisk trykk ) skal balanseres, bør magnetosfæren være en ufremkommelig grense. Imidlertid har vi vært i stand til å observere plasma, som skyldes solvinden, som krysser magnetopausen for å komme inn i magnetosfæren. Målingene tatt fra 4 observasjonspunkter av Cluster-satellittene gjør det mulig å følge forskyvningen av magnetopausen og belyse mekanismen for plasmapenetrasjon fra solvinden.

I to regioner, den ene på den nordlige halvkule og den andre i sør, er jordens magnetfelt vinkelrett snarere enn tangent til magnetopausen. Disse polære kjeglene lar partikler av solvinden, som består av ioner og elektroner, komme inn i magnetosfæren. Cluster registrerer partikkelfordelingen, som vil karakterisere de turbulente områdene i de ytre endene.

Regionene til jordens magnetfelt som er strukket av solvinden vekk fra solen, blir samlet referert til som halen til magnetosfæren. To fliker som passerer utover månens bane danner den ytre halen mens det sentrale laget av plasma danner den indre halen, som er veldig aktiv. Klynge overvåker partikler i ionosfæren og solvinden når de passerer gjennom magnetosfærens halelapper. I det sentrale plasmalaget bestemmer Cluster opprinnelsen til ionestrålene og forstyrrelsene i strømmen på linje med magnetfeltet forårsaket av understormene .

Nedbøren av ladede partikler i atmosfæren skaper en ring av lysutslipp rundt magnetpolen kjent som auroralsonen . Klyngen måler de tidsmessige variasjonene i strømmen av passerende partikler i regionen.

Prosjekthistorie

Utvikling

Start

Cluster-satellittene ble ferdigstilt i 1995, men ble ødelagt 4. juni 1996 under svikt i den første Ariane 5-flyet som skulle plassere dem i bane. Den europeiske romfartsorganisasjonen bestemmer seg for å finansiere gjenoppbyggingen av de fire sonder. Soyuz-bæreraketten er valgt for lansering i bane. Det nye oppdraget heter Cluster II. Målene er koordinert med Double Star- romoppdraget utviklet av det kinesiske romfartsbyrået CNSA , som studerer de samme fenomenene og som bærer 7 instrumenter som er identiske med de om bord i Cluster-satellittene.

16. juli 2000 sendte en Soyuz-Fregat- rakett , innviet bruken av Fregat-scenen , avfyrt fra Baikonur Cosmodrome , to av Cluster-satellittene (Salsa og Samba) inn i en ventende bane hvorfra de manøvrerte på egenhånd for å nå en bane på 19 000 x 119 000 kilometer med en periode på 57 timer. Tre uker senere, 9. august 2000, lanserte en annen Soyuz-Fregat-rakett de to andre Cluster-satellittene (Rumba og Tango) i lignende baner. Probe 1, Rumba, har også kallenavnet "Phoenix" fordi den i stor grad er bygget av reservedeler som ble til overs etter at det opprinnelige oppdraget mislyktes. Etter ferdigstillelse av nyttelasten ble de første vitenskapelige målinger gjort på en st februar 2001.

ESA arrangerte en konkurranse for å nominere Cluster-satellittene, som tiltrukket deltakere fra mange land. Ray Cotton fra UK vant med navnene Rumba, Tango, Salsa og Samba. Rays hjemby, Bristol , mottok satellittmodellene som en anerkjennelse av appellasjonen og forbindelsen til satellittene.

Gjennomføring av oppdraget

Meget baner elliptisk satellitt nå en perigeum på omtrent 4 R E (jord radier, hvor 1 R E = 6371 km ) og en høyde på 19,6 R- E . Hver bane er fullført på omtrent 57 timer. Den europeiske romfarts Operations Centre (ESOC) kjøper telemetri og distribuerer vitenskapelige data fra sonder online. De fire satellittene manøvrerer i forskjellige tetraedriske formasjoner for å studere magnetosfærens struktur og dens grenser. Avstander mellom satellitter kan variere fra omtrent 100 til 10.000 kilometer .

Opprinnelig planlagt å vare til slutten av 2003, ble oppdraget utvidet flere ganger. Den første utvidelsen utvidet oppdraget fra 2004 til 2005, og den andre fra 2005 til juni 2009. Oppdraget ble deretter utvidet til slutten av 2012. 19. november 2014 ble oppdraget igjen utvidet med fem andre vitenskapelige oppdrag på to år til 31. desember 2016. Oppdraget pågår fortsatt i slutten av 2019.

Satellittens tekniske egenskaper

De fire satellittene er sylindriske. Cluster-satellitten har form av en flat sylinder som er 1,3 meter høy med en diameter på 2,9 meter. Massen er 1200 kg inkludert 650 kg drivmidler og 71 kg instrumentering. Den stabiliseres ved rotasjon med en hastighet på 15 omdreininger per minutt . Sidene på sylinderen er dekket av solceller som gir 224 watt forbrukes av instrumentene (47 watt) og det forskjellige utstyret, spesielt kommunikasjon. Overskuddsenergien lagres i 5 identiske kadmium-sølvbatterier med en total kapasitet på 80 Ah. Satellitten har et hovedfremdrivningssystem med 400 newtons skyvekraft og åtte mindre rakettmotorer med 10 newtons thrust. Disse motorene brenner en blanding av hydrazin og nitrogenperoksid . Hovedmotoren brukes til å plassere satellitten i sin arbeidsbane og deretter for å modifisere avstanden til de andre tre satellittene i konstellasjonen. En gang i bane distribuerer satellitten flere antenner og kabler: 2 poler på 5 meter, men sensorer fra STAFF-instrumentet, fire kabler på 50 meter forlenget radialt og brukt av EFW-eksperimentet og to aksiale antenner for telekommunikasjon. Plattformen er designet for å fungere i minst 5 år

Instrumentering

Hver av de fire klyngesatellittene har elleve identiske instrumenter (total masse 71 kilo), hvis egenskaper er beskrevet i tabellen nedenfor. Disse instrumentene måler på den ene siden intensiteten og retningen til de elektriske ( E ) og magnetiske ( B ) feltene, på den andre siden tettheten og fordelingen av elektronene og ionene som utgjør plasmaet de passerer gjennom.

Forkortelse	Instrument	Målt	Mål
FGM	Fluxgate magnetometer	Magnetfeltets størrelse og retning B	Vektorisering B og utløsning av hendelser for alle instrumenter unntatt ASPOC
EFW	Electric Field and Wave eksperiment	Det elektriske feltets størrelse og retning E.	Vektorisering av E , romfartøyspotensial, elektrondensitet og temperatur
PERSONALE	Spatio-Temporal Analysis of Field Fluctuation experiment	Størrelse og retning av elektromagnetiske svingninger, magnetfelt B , krysskorrelasjon av E og B	Egenskaper til nåværende småskala strukturer, kilde til plasmabølger og turbulens
HVISKE	Bølger av høy frekvens og lyd for å teste tetthet ved avslapping	I aktiv modus, den totale elektrontettheten ρ; i passiv modus, nøytrale plasmabølger	Plasmatetthetsmålinger ρ upåvirket av variasjoner i potensialet i romfartøyet
WBD	Bredbåndsdata-mottaker	E- magnetiske feltbølgeformer og spektrogrammer av terrestriske plasmabølger og radioutslipp	Bevegelse av terrestriske variasjoner, for eksempel auroral kilometrisk stråling
DWP	Digital Wave Processing instrument	Datamanipulasjon	Kontroll og kommunikasjon mellom instrumentene 2-5 for å produsere partikkelkorrelasjoner
EDI	Electron Drift Instrument	Det elektriske feltets størrelse og retning E.	Vektorisering av E , gradienter i det lokale magnetfeltet B
ASPOC	Aktivt romfartøy Potensiell kontroll eksperiment	Regulering av det elektrostatiske potensialet til romfartøyer	Kontroll og kommunikasjon mellom instrumentene 2-5 og 10
CIS	Cluster Ion Spectroscopy eksperiment	Ion flytid og energi fra 0 til 40k eV	3D-sammensetning og fordeling av ioner i plasma
FRED	Plasmaelektron og nåværende eksperiment	Elektronenergier fra 0,0007 til 30 keV	3D-fordeling av elektroner i plasma
RASK	Forskning med Adaptive Particle Imaging Detectors	Elektronenergi fra 30 til 1500 keV , ionenergi fra 20 til 450 keV	3D-fordeling av høye ioniske og elektroniske energier i plasma

Double Star Mission med Kina

På slutten av 2003 og midten av 2004 lanserte China National Space Administration to Double Star- satellitter som har syv instrumenter levert av European Space Agency, identiske med instrumentene om bord i Cluster-satellittene. Plassert på den ene siden i en polar bane, på den andre siden i en ekvatorial bane, jobber disse to satellittene med Cluster-satellittene for å utføre synkrone målinger av magnetosfæren.

Vitenskapelige resultater (delvis)

2002
- 9. mars: oppdagelse av en vortex med en størrelse mellom 100 og 40 000 km i det polære magnetfeltet på jorden;
- 20. april: første direkte målinger av tettheten av jordens ringstrøm ;

2003
- 20. mai: Cluster observerer en "omvendt tilkobling", sammen med en lys aurora av protoner observert av IMAGE ;

2004
- 5. april: første entydige målinger av tykkelsen på jordens magnetiske sjokkbue ( Bow Shock );
- 12. desember: Klyngen bestemmer den romlige skalaen for høyhastighetsstrømninger i halen av magnetosfæren;

2005
- 4. februar: Cluster observerer en magnetisk tilkobling i tre dimensjoner;
- 5. desember: Cluster hjelper til med å forutsi ankomsten av "mordereelektroner";

2006
- 11. januar: Klynge observerer en magnetisk omkoblingsregion større enn 2,5 millioner km i solvinden;
- 18. juli: Klynge observerer den “magnetiske kjernen” av gjenforbindelser i halen av magnetosfæren;
- 20. juli: Cluster og Double Star oppdager "tetthetshull" i solvinden;

2007
- 21. november: Cluster klarer å observere virkningen av en koronal masseutkasting ;

2008
- 7. mars: oppdagelse av solitoner i magnetopausen;
- 27. juni: vi oppdager at kilometrisk stråling av auroral sendes ut i et smalt plan;

2009
- 16. juli: Klynge viser hvordan solvinden blir varmet opp på elektronskalaen;

2010
- 23. september: Klynge viser hvordan solvinden varmes opp i subprotonisk skala.

Merknader og referanser

Merknader

millioner europeiske regningsenheter (forfedre til euroen)

Referanser

(fr) Denne artikkelen er helt eller delvis hentet fra den engelske Wikipedia- artikkelen med tittelen " Cluster II (romskip) " ( se forfatterlisten ) .

" Faktaark " , på sci.esa.int (åpnet 23. juni 2021 )
(in) J. Krige , A. Russo og L. Sebesta , A History of the European Space Agency 1958- 1987 Volume II (SP-1235) , ESA2000( les online ) , s. 204-207
(en) red. Escoubet, CP; Russell, CT; Schmidt, R. The Cluster and Phoenix Missions , Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, Belgia, 1997.
(fr) Cluster II på EAD-Astrium nettsted
(en) red. Paschmann, G.; Schwartz, SJ; Escoubet, CP; Haaland S. Outer Magnetospheric Boundaries: Cluster Results , Springer, Dordrecht, Nederland, 2005.
Ruten ble etablert gjennom (in) Orbit Visualization Tool .
(in) " Arbeidslivsutvidelser for ESAs vitenskapsmisjon " på ESAs vitenskapelige oppdrag - Mars Express (åpnet 20. november 2014 )
(in) Cluster 3D Model ESA
(in) " Cluster " på EO Portal , European Space Agency (åpnet 30. desember 2019 )
(en) Sahraoui, F.; Goldstein, ML; Robert, P.; Khotyaintsev, YV, “ Evidence of a Cascade and Dissipation of Solar-Wind Turbulence at the Electron Gyroscale ” , Physical Review Letters , vol. 102, nr . 23, Juni 2009, s. 231102- + ( DOI 10.1103 / PhysRevLett.102.231102 , les online )
(en) Sahraoui, F.; Goldstein, ML; Belmont, G.; Canu, P.; Rezeau, L., “ Three Dimensional Anisotropic k Spectra of Turbulence at Subproton Scales in the Solar Wind ” , Physical Review Letters , vol. 105, n o 13 september 2010, s. 121101 ( DOI 0.1103 / PhysRevLett.105.131101 , les online )
(in) Cluster Hjelper med å løsne turbulens i solvinden