Akatsuki (sonda kosmiczna)

Akatsuki – Sonda Kosmiczna Wenus

Akatsuki (jap. あかつき „świt”) to sonda kosmiczna, która została wystrzelona w ramach japońskiego programu kosmicznego i stała się sztucznym satelitą planety Wenus. Jej głównym celem jest badanie struktury oraz dynamiki atmosfery tej planety. Sonda została wystrzelona 20 maja 2010 roku, a planowane wejście na orbitę wokół Wenus miało miejsce 7 grudnia 2010 roku. Niestety, z powodu awarii, sonda nie mogła wejść na orbitę, jednak pozostała w dużym stopniu sprawna i przez następne lata krążyła wokół Słońca. W grudniu 2015 roku, przy kolejnym zbliżeniu do Wenus, japońska agencja JAXA podjęła ponowną próbę manewru, co zakończyło się wprowadzeniem sondy na daleką orbitę wokół planety.

Cele naukowe misji

Aktualne cele misji obejmują:

Obserwacja całej planety z dalszej części orbity, co pozwoli lepiej zrozumieć chmury, atmosferę oraz warunki na powierzchni Wenus.
Analiza ruchów konwekcyjnych atmosfery oraz rozkładu prędkości w chmurach z odległości mniejszej niż 10 promieni Wenus.
Badanie warstwowej struktury chmur z bocznej perspektywy w pobliżu perycentrum orbity.
Monitorowanie występowania piorunów i rozproszonego światła podczas pobytu w cieniu planety.
Prześwietlanie warstw chmur Wenus przy użyciu fal radiowych.

Pierwotny plan misji zakładał również obserwacje powierzchni planety oraz poszukiwanie aktywnych wulkanów, jednak pierwotna orbita była znacznie bliżej planety. Sonda miała również przybyć do Wenus, gdy krążył wokół niej europejski orbiter Venus Express, co pozwoliłoby na uzupełniające obserwacje.

Konstrukcja sondy

Kadłub sondy ma formę prostopadłościanu. Na przeciwległych bokach przymocowane są dwa skrzydła ogniw słonecznych, każde o powierzchni 1,4 m², które mogą obracać się wokół jednej osi, by zawsze być skierowane w stronę Słońca. Na orbicie wokół Wenus dostarczają one energię o mocy 1200 W, która jest wykorzystywana do ładowania baterii oraz bezpośrednio do zasilania sondy.

Sonda wyposażona jest w jeden główny silnik manewrowy nowego typu z ceramiczną dyszą, o ciągu 500 N, zasilaną dwuskładnikowym materiałem pędnym (hydrazyna i tetratlenek diazotu). Niestety, dysza została uszkodzona podczas pierwszej próby wejścia na orbitę. Dodatkowo, sonda ma zestaw 12 silników systemu sterowania reakcyjnego (8 silników o ciągu 23 N oraz 4 o ciągu 3 N), zasilanych jednoskładnikowym paliwem – hydrazyną. Sonda jest stabilizowana trójosiowo, a kontrolę położenia zapewniają cztery koła reakcyjne – dwa o momencie pędu 20 N m s oraz dwa o momencie pędu 4 N m s. W skład czujników systemu kontroli położenia wchodzą żyroskopy, szukacze gwiazd i Słońca oraz przyspieszeniomierze.

Łączność z sondą jest zapewniana przez przymocowaną do kadłuba antenę szczelinową o wysokim zysku i średnicy 1,6 m, z transponderem w paśmie X o mocy 20 W. W przypadku, gdy antena główna nie jest skierowana w stronę Ziemi, do komunikacji służą dwie anteny tubowe o średnim zysku oraz dwie anteny o niskim zysku. Prędkość transmisji danych z sondy do Ziemi zmienia się w zależności od odległości do sondy, wynosząc 4 kb/s przy 1,5 au, 8 kb/s przy 1,1 au, 16 kb/s przy 0,7 au i 32 kb/s przy 0,5 au.

System kontroli termicznej składa się z wielowarstwowej izolacji, radiatorów oraz grzejników, które utrzymują temperaturę wewnątrz sondy poniżej 20 °C.

Instrumenty naukowe

Pracą czterech kamer (IR1, IR2, UVI i LIR) zarządza element Sensor Digital Electronics Unit (DE), który ma również rejestrator danych o pojemności 512 MB. Element DE kontroluje sekwencję pracy kamer, odbiera surowe dane, przetwarza je arytmetycznie oraz kompresuje. Zajmuje się także formatowaniem i pakietowaniem danych naukowych oraz telemetrycznych. Masa elementu DE wynosi 4,6 kg.

Planowany przebieg misji

Docelowa orbita sondy Akatsuki wokół Wenus miała mieć perycentrum w odległości 300 km od powierzchni planety, apocentrum 79 000 km, nachylenie 172° oraz okres obiegu 30 h. Ruch orbitalny miał być zgodny z kierunkiem rotacji atmosfery. Przez około 20 h każdej orbity, w pobliżu apocentrum, prędkość kątowa sondy miała być zbliżona do prędkości superrotacji atmosfery. Co 2 h kamery miały rejestrować zdjęcia całej planety, a w pobliżu perycentrum wykonywać obserwacje mniejszych obszarów oraz krawędzi tarczy. Kamera LAC miała w cieniu planety poszukiwać światła z wyładowań atmosferycznych i słabego rozproszenia światła. Eksperyment radiowy planowano przeprowadzić, gdy sonda znajdzie się za Wenus z perspektywy Ziemi.

Obserwacje prowadzone przez Akatsuki miały uzupełniać badania sondy Venus Express, która orbiterowała wokół Wenus od kwietnia 2006 do stycznia 2015, co ułatwiłoby analizę zebranych danych oraz dawało możliwość badania zmian w atmosferze planety na przestrzeni lat. Misja miała trwać minimum dwa lata, a głównym ograniczeniem byłaby degradacja baterii pokładowych.

Wraz z sondą Akatsuki, rakieta nośna wprowadziła dodatkowe ładunki:

Na niską orbitę okołoziemską: 3 satelity typu CubeSat – Waseda-SAT2, Hayato i Negai.
Na orbitę heliocentryczną: dwie eksperymentalne sondy – IKAROS i UNITEC-1.

Planowany koszt misji wynosił 275 mln USD. Podczas lotu w kierunku Wenus prowadzone były obserwacje światła zodiakalnego oraz obłoków pyłu międzyplanetarnego.

Przebieg misji

Po starcie z kosmodromu Tanegashima 20 maja 2010 roku, rakieta nośna H-IIA (202) (lot F17) wprowadziła sondę na orbitę heliocentryczną o peryhelium 0,72 au, aphelium 1,07 au i nachyleniu 2,0° względem ekliptyki. 21 maja 2010 roku, gdy Akatsuki znajdowała się około 250 000 km od Ziemi, sonda wykonała testowe zdjęcia naszej planety przy użyciu kamer IR1, UVI i LIR.

28 czerwca 2010 roku przeprowadzono korekcję trajektorii lotu sondy za pomocą silnika głównego (Δv ≈ 12 m/s).

Niepowodzenie manewru wejścia na orbitę

Po ponad 6 miesiącach lotu, 6 grudnia 2010 roku o 23:49:00 UTC, sonda rozpoczęła 12-minutowy manewr wejścia na orbitę, gdy znajdowała się 550 km od Wenus. Po potwierdzeniu uruchomienia silnika głównego, Akatsuki została zasłonięta przez planetę, co spowodowało 22-minutową utratę kontaktu z Ziemią. Łączność została przywrócona 7 grudnia 2010 roku o 01:28 UTC. Analiza danych wykazała, że 2 min 23 s po odpaleniu silnika, sonda wpadła w niekontrolowany ruch obrotowy, co spowodowało przejście w tryb awaryjny (safe mode) i przedwczesne wyłączenie silnika. W konsekwencji sonda nie weszła na orbitę wokół Wenus, lecz pozostała na orbicie heliocentrycznej. Ustalono, że Akatsuki ponownie zbliży się do Wenus w grudniu 2015 roku, co umożliwiło ponowną próbę wejścia na orbitę, jeśli systemy sondy pozostałyby sprawne.

Agencja JAXA powołała komisję dochodzeniową w celu zbadania przyczyn niepowodzenia manewru, która ustaliła, że problem spowodowany był nieprawidłowo działającym zaworem w systemie paliwowym, co doprowadziło do uszkodzenia dyszy silnika głównego.

Przebieg misji po przelocie obok Wenus

7 i 14 września 2011 roku JAXA przeprowadziła dwa krótkie testy uszkodzonego silnika głównego sondy, aby określić jego charakterystykę pracy. Okazało się, że silnik osiągał ciąg tylko około 40 N, co jest znacznie poniżej oczekiwań. W związku z tym zdecydowano o rezygnacji z dalszych prób jego użycia. Do manewrów użyto silników systemu sterowania reakcyjnego (RCS). W październiku zlecono zrzucenie zbędnego utleniacza, co zmniejszyło masę sondy. W dniach 1, 10 i 21 listopada 2011 roku, w pobliżu peryhelium orbity, przeprowadzono trzy manewry korekcyjne z użyciem silników RCS, co miało na celu ponowne zbliżenie Akatsuki do Wenus.

Drugi manewr wejścia

Ustalono, że sonda może wejść na orbitę wokół Wenus 7 grudnia 2015 roku. Apocentrum dostępnej orbity było jednak pięciokrotnie dalej od planety niż pierwotnie zakładano, co ograniczało rozdzielczość obserwacji. Z powodów związanych z uszkodzeniem głównego silnika, manewr wejścia na orbitę przeprowadzono z użyciem silników RCS. Manewr zakończył się sukcesem, a sonda znalazła się na orbicie wokół planety.