Advanced Composition Explorer (ACE) to amerykańska sonda kosmiczna, która realizuje swoją misję w ramach programu Explorer. Po starcie 25 sierpnia 1997 roku, sonda została umieszczona na orbicie Lissajous wokół punktu L1 w układzie Ziemia-Słońce, skąd dokonuje pomiarów in situ cząstek pochodzących z korony słonecznej, ośrodka międzyplanetarnego, lokalnego ośrodka międzygwiazdowego oraz materii galaktycznej. Zbierane przez nią dane są wykorzystywane do wczesnego ostrzegania przed burzami magnetycznymi.
Przygotowania do misji
Koncepcja misji ACE, pierwotnie nazwana Cosmic Composition Explorer, została opracowana w czerwcu 1983 roku podczas spotkania grupy naukowców na University of Maryland. Propozycja ta została wysłana do NASA, jednak nie została wówczas przyjęta. W 1986 roku ponownie przedstawiono ją jako odpowiedź na zaproszenie NASA do uczestnictwa w programie Explorer (Explorer Concept Study Program). W 1988 roku projekt misji został wybrany, jako jeden z czterech, do jednorocznej fazy A (Concept Study) programu.
22 kwietnia 1991 roku podpisano kontrakt pomiędzy NASA Goddard Space Flight Center (GSFC) a California Institute of Technology, co oficjalnie rozpoczęło misję ACE. Faza B (Definition Study) rozpoczęła się w sierpniu 1992 roku, a wstępna ocena projektu (Preliminary Design Review) miała miejsce w listopadzie 1993 roku, po czym rozpoczęto fazę C/D (Implementation).
Dowodzenie misją objęło NASA Goddard Space Flight Center, a sonda została zbudowana przez Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL). Kierownictwo nad konstrukcją instrumentów sondy sprawowało California Institute of Technology. Po zakończeniu integracji instrumentów, sonda przeszła szereg testów w APL i GSFC, a następnie została przetransportowana na Cape Canaveral Air Force Station, gdzie przeprowadzono ostatnie etapy montażu i testów przedstartowych oraz integrację z rakietą nośną.
Cele misji
Cele naukowe misji
Podstawowym celem sondy ACE jest określenie i porównanie składu pierwiastkowego oraz izotopowego próbek materii pochodzącej z korony słonecznej, ośrodka międzyplanetarnego, lokalnego ośrodka międzygwiazdowego oraz materii galaktycznej.
Zakres energii spektrometrów sondy wynosi od około 100 eV/nukleon do około 600 MeV/nukleon. Badania obfitości będą prowadzone dla praktycznie wszystkich izotopów o liczbie atomowej Z = 1–30 (od wodoru do cynku), z obserwacjami sięgającymi do cyrkonu (Z = 40).
Porównanie tych próbek posłuży do badań nad pochodzeniem i ewolucją Układu Słonecznego oraz materii galaktycznej, umożliwiając wyodrębnienie efektów podstawowych procesów, takich jak nukleosynteza, rozdzielanie cząstek naładowanych i neutralnych, przyspieszanie plazmy oraz cząstek nadtermicznych i wysokoenergetycznych. W szczególności instrumenty sondy ACE umożliwiają przeprowadzanie badań w szerokim zakresie fundamentalnych problemów w następujących obszarach:
- Skład pierwiastkowy i izotopowy materii:
- Opracowanie wykazu obfitości izotopów w materii słonecznej na podstawie bezpośrednich badań jej próbek.
- Ustalenie, z poprawioną dokładnością, składu korony słonecznej.
- Określenie różnic izotopowych między galaktycznym promieniowaniem kosmicznym a materią Układu Słonecznego.
- Pomiar składu międzygwiezdnych i międzyplanetarnych jonów przechwyconych (ang. pick-up ions).
- Ustalenie składu izotopowego składnika anomalnego promieniowania kosmicznego (ang. anomalous cosmic ray component), reprezentującego próbkę lokalnego ośrodka międzygwiazdowego.
- Pochodzenie pierwiastków i proces ewolucji składu materii:
- Badanie różnic w składzie izotopowym między materią słoneczną a meteorytową.
- Ustalenie wkładu wiatru słonecznego i słonecznych cząstek wysokoenergetycznych do składu materii księżycowej oraz meteorytowej, a także do atmosfer i magnetosfer planetarnych.
- Określenie dominujących procesów nukleosyntezy, które mają wkład w materię źródeł promieniowania kosmicznego.
- Ustalenie, czy promieniowanie kosmiczne jest próbką świeżo zsyntetyzowanej materii (np. z supernowych), czy współczesnego ośrodka międzygwiazdowego.
- Testowanie modeli ewolucji Galaktyki poprzez poszukiwanie wzorów w składzie izotopowym materii słonecznej i galaktycznej.
- Powstawanie korony słonecznej i przyspieszanie wiatru słonecznego:
- Wyodrębnienie dominujących procesów formowania korony słonecznej poprzez porównanie obfitości pierwiastków w koronie i fotosferze.
- Zbadanie stanu plazmy w miejscach źródeł wiatru słonecznego oraz słonecznych cząstek wysokoenergetycznych poprzez pomiar i porównanie stanów ładunku elektrycznego w tych dwóch populacjach.
- Zbadanie procesów przyspieszania wiatru słonecznego oraz frakcjonowania zależnego od ładunku lub masy w różnych rodzajach przepływów wiatru słonecznego.
- Przyspieszanie i transport cząstek:
- Przeprowadzenie bezpośrednich pomiarów frakcjonowania zależnego od ładunku i/lub masy podczas rozbłysków słonecznych oraz procesów przyspieszania w przestrzeni międzyplanetarnej.
- Określenie ograniczeń dla modeli rozbłysków słonecznych, szoków koronalnych oraz przyspieszania w przestrzeni międzyplanetarnej, bazując na danych dotyczących ładunku, masy i spektralnych w zakresie do 5 rzędów wielkości.
- Weryfikacja teoretycznych modeli dla rozbłysków bogatych w 3He oraz słonecznych rozbłysków promieniowania gamma.
- Pomiar skal czasowych przyspieszania i propagacji promieniowania kosmicznego za pomocą datowania izotopowego.
Eksperyment RTSW
Sonda ACE znajduje się na orbicie oddalonej o około 1,5 mln km od Ziemi w kierunku Słońca, co pozwala jej na skuteczne pomiary parametrów międzyplanetarnego pola magnetycznego oraz wiatru słonecznego, które wpływają na pogodę kosmiczną (ang. space weather) zanim dotrą do ziemskiej magnetosfery. Na pokładzie sondy znajduje się system RTSW (Real Time Solar Wind), który zbiera i przesyła w czasie rzeczywistym dane z czterech instrumentów (EPAM, MAG, SIS i SWEPAM) na Ziemię. Umożliwia to wydawanie ostrzeżeń przed nadchodzącymi burzami magnetycznymi z wyprzedzeniem do jednej godziny, które są wynikiem interakcji między międzyplanetarnym a ziemskim polem magnetycznym. Takie burze mogą prowadzić do nagłego wzrostu ilości cząstek naładowanych w magnetosferze Ziemi, co z kolei może zakłócać działanie i uszkadzać naziemne systemy energetyczne, łączność radiową oraz satelity na orbicie wokółziemskiej.
Dane przekazywane przez system RTSW obejmują pomiary prędkości, gęstości i temperatury wiatru słonecznego z instrumentu SWEPAM, wektory pola magnetycznego z instrumentu MAG oraz strumienie cząstek naładowanych z instrumentów EPAM i SIS. Typowa rozdzielczość czasowa pomiarów wynosi 1 minutę. Dane są przesyłane ciągle z prędkością 434 b/s przez 21 godzin na dobę do sieci stacji naziemnych współpracujących z National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Przez pozostałe 3 godziny na dobę, gdy łączność z sondą przejmuje NASA, przesyłana jest do NOAA kopia tych danych, która następnie trafia do ośrodka Space Weather Prediction Center w Boulder, a stamtąd do ośrodka Space Weather Operations.
Cały proces odbioru, przetwarzania i przesyłania danych do odbiorców końcowych zajmuje 5 minut od momentu ich wysłania z pokładu sondy ACE.
Konstrukcja sondy
Kadłub sondy ACE składa się z dziesięciu aluminiowych płyt przymocowanych do ramy wykonanej z aluminium i tytanu, tworząc konstrukcję o wymiarach 142,2 × 76,2 cm. Górny i dolny pokład mają oktagonalny kształt, połączony prostokątnymi ściankami bocznymi. Na spodzie kadłuba znajduje się cylindryczny łącznik do rakiety nośnej o wysokości 22,9 cm. Sonda jest stabilizowana obrotowo, z prędkością 5 obrotów na minutę, obracając się wokół własnej osi tak, że jedna strona jest zawsze skierowana w stronę Słońca, a przeciwna w kierunku Ziemi.
Większość instrumentów (SEPICA, SIS, SWICS, SWEPAM, ULEIS, EPAM oraz S3DPU) znajduje się na górnym pokładzie zwróconym w kierunku Słońca. Instrumenty CRIS i SWIMS oraz większość systemów sondy są umieszczone na bocznych ściankach kadłuba, podczas gdy na dolnym pokładzie umieszczono elementy systemu łączności oraz instrument SLAM. Do boków górnego pokładu przymocowane są cztery rozkładane skrzydła paneli słonecznych, każde o wymiarach 86,4 × 149,9 cm. Wykonane z krzemu ogniwa słoneczne generują napięcie 28 V, a ich moc na koniec 5-letniego okresu misji zaplanowano na 444 W. Na końcach dwóch z paneli umieszczono wysięgniki magnetometrów o długości 152,4 cm. Z rozłożonymi panelami słonecznymi i magnetometrami, sonda ma całkowitą rozpiętość około 8,3 m.
Za sterowanie sondą oraz zbieranie, formatowanie i magazynowanie danych naukowych i inżynieryjnych odpowiada Command and Data Handling Subsystem (C&DH). W jego skład wchodzą:
- Dwa redundantne układy C&DH oparte na procesorze Harris RTX2010, programowanym w języku FORTH. Procesory wykonane w technologii CMOS/SOS są odporne na zakłócenia wywoływane przez rozbłyski słoneczne.
- Dwa półprzewodnikowe rejestratory danych (Solid State Recorders, SSRs) wykorzystujące moduły DRAM, każdy o pojemności 1,073 Gb.
- Układ sterowania zasilaniem (Power Switching component).
- Układ odpalania silników (Ordnance Fire component).
Kontrolę położenia sondy w przestrzeni zapewnia Attitude Determination and Control Subsystem (ADandC), który zawiera redundantne czujniki Słońca oraz pojedynczy szukacz gwiazd.
Wewnątrz kadłuba znajdują się cztery tytanowe zbiorniki wypełnione hydrazyną, której masa na początku misji wynosiła 195 kg. Stanowi ona jednoskładnikowy materiał pędny dla 10 silników korekcyjnych (4 w osi sondy i 6 prostopadłych), każdy o ciągu 4,4 N i impulsie właściwym 216 s. Silniki te służyły do wprowadzenia sondy na orbitę wokół punktu L1 układu Ziemia-Słońce i są używane do korekt orbity oraz do kontroli prędkości wirowania i położenia sondy.
Łączność sondy z Ziemią zapewniają dwa identyczne, redundantne i niezależne systemy korzystające z pojedynczej anteny o wysokim zysku o średnicy 76 cm. Każdy system łączności składa się z transpondera z nadajnikiem o mocy 5 W, dipleksera, sieci przełączników oraz dwóch anten śrubowych o szerokiej wiązce. Transmisja danych na Ziemię odbywa się w paśmie S na częstotliwości 2278,35 MHz z następującymi szybkościami:
- 434 b/s – transmisja o małej szybkości oraz eksperyment RTSW do stacji odbiorczych NOAA;
- 6944 b/s – transmisja w czasie rzeczywistym;
- 76 384 b/s – nagrane dane z rejestratorów w połączeniu z transmisją w czasie rzeczywistym.
Komendy z Ziemi na pokład sondy przesyłane są na częstotliwości 2097,9806 MHz z szybkością 1000 b/s.
Instrumenty sondy
Na pokładzie sondy ACE znajduje się dziewięć instrumentów naukowych przeznaczonych do głównej misji oraz jeden dodatkowy instrument inżynieryjny. Sześć z tych instrumentów to spektrometry mas o wysokiej rozdzielczości, które zapewniają optymalną rozdzielczość ładunku i masy w określonym zakresie energii, a ich zdolności zbierające są od 10 do 1000 razy większe niż w wcześniejszych eksperymentach.
W skład ładunku wchodzi także trzy instrumenty o standardowej konstrukcji, które monitorują wysokoenergetyczne elektrony, protony oraz jony helu, a także magnetometr.
Z wyjątkiem jednego spektrometru, wszystkie pozostałe instrumenty sondy działają prawidłowo (stan na styczeń 2012). Z powodu awarii zaworów kontrolujących przepływ gazu przez instrument, spektrometr SEPICA zaprzestał dostarczania danych naukowych 4 lutego 2005 roku i ostatecznie został wyłączony 20 kwietnia 2011 roku.
Przebieg misji
Start sondy ACE miał miejsce 25 sierpnia 1997 roku z pozycji startowej LC17A na Cape Canaveral Air Force Station. Po osiągnięciu wstępnej orbity parkingowej, ponowny zapłon drugiego członu rakiety nośnej Delta wprowadził sondę na wydłużoną orbitę eliptyczną z perygeum 177 km i apogeum 1,37 mln km. Po osiągnięciu apogeum, około miesiąc po starcie, sonda wykonała szereg manewrów korekcyjnych, a w dniach od 9 do 12 grudnia 1997 roku przeprowadzono manewry wejścia na orbitę wokół punktu L1 układu Ziemia-Słońce. Półoś wielka osiągniętej orbity Lissajous wynosi około 200 tys. km.
21 stycznia 1998 roku misja sondy została uznana za operacyjną. Pierwotnie przewidywany czas jej funkcjonowania wynosił 5 lat, jednak misja została przedłużona. Kierownictwo misji szacuje (stan na styczeń 2012), że zapas paliwa na pokładzie dla silników manewrowych wystarczy do utrzymania pracy sondy ACE do 2024 roku.
Przypisy