CASSIOPE: Ғарыштық ауа райы зерттеулер және жабдықтардың жұмысы

Кіріспе

Спутник эллипстік орбитаға шығарылды және Cascade деп аталатын коммерциялық байланыс жүйесімен қатар, e POP (Enhanced Polar Outflow Probe) деп аталатын ғылыми эксперименттер жиынтығын тасымалдайды. Когерентті ЭМ радиотомографиясы (CER) – радио толқындарының таралуын және ионосфералық сцинтилляцияны өлшейді, Жылдам ауроральды бейнелеу құралы (FAI) – кең ауқымды ауроральды сәулеленуді өлшейді, GPS Биіктік және профильдеу эксперименті (GAP) – жоғары дәлдіктегі позицияны және бағытты анықтайды, Суреттеу және жылдам сканерлеуші иондық массалық спектрометр (IRM) – иондардың үш өлшемді таралуын өлшейді, Флюксгейт магнитометрі (MGF) – жоғары дәлдіктегі магнит өрісінің өзгерістерін өлшейді, Нейтральды массалық спектрометр (NMS) – бейтарап бөлшектердің массасын, құрамын және жылдамдығын өлшейді, Радио қабылдағыш құралы (RRI) – радио толқындарының таралуын өлшейді, Супратермальды электронды бейнелеу құралы (SEI) – төмен энергиялы электрондардың таралуын өлшейді.

Операциялар

2013 жылдың 29 қыркүйегінде сәтті ұшырылғаннан кейін, CASSIOPE 2014 жылдың 1 қаңтарына дейін жалғасқан сынақ кезеңіне кірді, осы уақытта ғарыш кемесінің жүйесінде немесе құралдарында ешқандай ақаулар анықталмады. Кируна (Швеция), Инувик (Канада) және Антарктидадағы генерал Бернардо О’Хиггинс базасындағы неміс Антарктикалық қабылдау станциясы, соның ішінде үш жер серігі станциясы пайдаланылды. Жұмыс істеу кестесі 2015 жылдың наурызына дейін жоспарланған. Миссия сол кездегі Канада үкіметінің құрамына кіретін Өнеркәсіптік технологиялар кеңсесі арқылы Канаданың Технологиялық серіктестік бағдарламасынан қаражат алып, ұзартылды. 2018 жылдың ақпан айында Еуропалық ғарыш агенттігі, Үшінші тарап миссиясы бағдарламасы арқылы, миссияны "Swarm" серіктерінің шоқжұлдызына біріктірді, CASSIOPE-ті "Swarm Echo" деп атады, бұл екі миссияның Жердің төменгі орбитасындағы ғарыш күйін зерттеудегі синергиясын мойындады. Бұл серіктестік күніне бір емес, төрт жер серігі станциясымен байланыс орнатуға мүмкіндік берді, соның арқасында e POP құралдарынан жүктеліп алынатын деректердің көлемі арта түсті. 2016 жылдың 11 тамызында ғарыш кемесінің бағытын басқаруға қолданылатын төрт реакциялық дөңгелектің бірі істен шықты. Бұл ғарыш кемесінің жұмысына елеулі әсер етпеді, себебі 3 осьті тұрақтандырылған бағыттау үшін тек үш дөңгелек қажет. 2021 жылдың 27 ақпанында екінші реакциялық дөңгелек бұзылып, ғарыш кемесін баяу айналатын, қауіпсіз режимге түсірді. 2021 жылдың қыркүйегінде қалған екі дөңгелектің арасындағы тепе-теңдік импульсін (дөңгелектерді қарама-қарсы бағытта айналдыру) қолдану және бағытты басқару үшін магниттік моменттерді пайдалану арқылы үш осьті тұрақтандырылған басқару қайта қалпына келтірілді. Үш айдан кейін, 2021 жылдың 17 желтоқсанында үшінші реакциялық дөңгелек істен шықты, нәтижесінде ғарыш кемесінде белгілі бір бағытта ұстап тұрудың тиімді әдісі қалмады. e POP құралдарының көпшілігі толыққанды жұмыс істесе де, тұрақтандырылмаған бағыттың болмауы ғылыми мақсаттардың көп бөлігіне қол жеткізуге кедерілді, соның салдарынан миссияның операциялық бөлігі 2021 жылдың 31 желтоқсанында аяқталды. MDA SpaceX компаниясымен келісімшарт жасасты, ол CASSIOPE құралын жаңа ұшыру құралының алғашқы рейсіне орналастырды – операциялық емес демонстрациялық ұшыру. Ұшыру SpaceX үшін технологиялық демонстрация болғандықтан, жеңілдікпен, SpaceX Falcon 9 LEO миссиялары үшін жарияланған бағаның шамамен 20% құрамында, зымыранның мүмкіндіктеріне қарағанда өте аз пайдалы жүк массасымен келісімшарт жасалды. Бұл жаңа ұшыру құралының алғашқы рейсі болғандықтан, АҚШ Әуе күштері миссияның сәтсіздікке ұшырау ықтималдығын шамамен елу пайызға бағалады. Алайда, миссия сәтті аяқталды, сондай-ақ келесі 13 Falcon 9 v1.1 миссиясы да сәтті өтті, 2015 жылдың маусым айында Falcon 9 рейсі 19-да ұшыру құралының ақаулығына байланысты миссия жоғалғанша. CASSIOPE-ті ұшыру үшін пайдаланылған Falcon 9 жоғарғы сатысы, перигейі және апогейі 0,7 градус болатын, күйіп бара жатқан эллипстік төменгі Жер орбитасында қалды.

After a successful launch on September 29, 2013, CASSIOPE entered into a commissioning phase that lasted to January 1, 2014, with no faults detected on the spacecraft bus or payloads. Three ground stations were utilized, including Kiruna (Sweden), Inuvik (Canada), and the German Antarctic Receiving Station at the General Bernardo O'Higgins Base in Antarctica. Routine operations were scheduled to run to March, 2015. The mission was extended via funding from the Technology Partnerships Canada program through the Industrial Technologies Office that was part of the Canadian government at the time. In February 2018, the European Space Agency, through the Third Party Mission Program, integrated the mission into the Swarm constellation of satellites, dubbing CASSIOPE "Swarm Echo", recognizing the synergy between the two missions in collecting space weather data in low Earth orbit. The partnership allowed for four ground station contacts per day, rather than one, greatly increasing the amount of data that could be downloaded from the e POP suite of instruments. On August 11, 2016, one of the four reaction wheels used for spacecraft attitude control failed. This did not affect spacecraft operations in a significant way since only three wheels are required for 3 axis stabilized pointing. A second reaction wheel failed on February 27, 2021, forcing the spacecraft into a slowly spinning, safe hold attitude configuration. Three axis stabilized control was restored in September 2021 by implementing a bias momentum configuration on the two remaining wheels (spinning the wheels in opposite directions), and using the magnetic torque rods for attitude control. Three months later, on December 17, 2021, a third reaction wheel failed, leaving the spacecraft with no viable methods for fixed attitude pointing. Although most of the e POP instruments were fully operational, without stabilized pointing much of the science objectives could not be met, resulting in a conclusion of the operational portion of the mission on December 31, 2021. MDA contracted with SpaceX to put the CASSIOPE payload on the first flight of an essentially new launch vehicle—a non operational demonstration launch. The flight was contracted with a payload mass that is very small relative to the rocket's capability, at a discounted rate because it was a technology demonstration mission for SpaceX, approximately 20% of the normal published price for SpaceX Falcon 9 LEO missions. Since this was the first flight of a new launch vehicle, the US Air Force had estimated the overall probability of failure on the mission was nearly fifty percent. In the event, the mission was successful, as was each of the next 13 Falcon 9 v1.1 missions before a launch vehicle failure and loss of mission occurred on Falcon 9 Flight 19 in June 2015. The Falcon 9 upper stage used to launch CASSIOPE was left derelict in a decaying elliptical low Earth orbit that, , had a perigee of and an apogee of .

Миссиядан кейінгі ұшыру құралын сынау

Екінші саты көтеру сатысынан бөлінгеннен кейін SpaceX жаңа ұшу сынағын жүргізді, онда көтеруші бақылаулы түрде төменгі атмосфераға қайта кіруге және суға қондыру симуляциясы бойынша баяулауға тырысты. Сынақ сәтті аяқталды, бірақ көтеру сатысы құтқарылмады. 2013 жылдың 29 қыркүйегіндегі ұшырудың үш минуттық күшейту фазасынан кейін, көтеру сатысының бағыты өзгертілді және жоспарланғандай, жоғары биіктікте тоғыз қозғалтқыштың үшеуі қайта іске қосылды, мұхит бетіне баяулау және бақыланатын түсу траекториясын бастау үшін. Сынақтың бірінші кезеңі жақсы өтті және бірінші саты қауіпсіз түрде қайта кірді. Дегенмен, атмосфера арқылы түсетін кезінде аэродинамикалық күштердің әсерінен бірінші саты айнала бастады және айналу жылдамдығы көтерушінің бағытты басқару жүйесінің (ACS) оны тоқтату мүмкіндігінен асып кетті. Бактардағы отын центрифугалық күштен бақтың сыртына жиналды және төменгі биіктіктегі баяулау маневріне қатысқан бір қозғалтқыш өшті. Бірінші сатының сынықтары кейіннен мұхиттан жиналды. Екінші саты төменгі жер орбитасында жүрген кезде қозғалтқыш қайта іске қосылмады.