Explorador de dinámica 2

Dynamics Explorer 2 ( DE-2 o Explorer 63 ) fue una misión de baja altitud de la NASA , lanzada el 3 de agosto de 1981. Estaba formada por dos satélites, DE-1 y DE-2, cuyo propósito era investigar las interacciones entre los plasmas de la magnetosfera y los de la ionosfera . Los dos satélites fueron lanzados juntos en órbitas coplanares polares , lo que les permitió observar simultáneamente las partes superior e inferior de la atmósfera. ^[2]

La nave espacial DE 2 (misión de baja altitud) complementó la misión de gran altitud Dynamics Explorer 1 y se colocó en una órbita con un perigeo lo suficientemente bajo como para permitir mediciones de composición neutra, temperatura y viento. El apogeo fue lo suficientemente alto como para permitir mediciones por encima de las regiones de interacción de iones supratérmicos, y también mediciones de flujo de plasma a los pies de las líneas de campo magnetosférico. La misión Dynamics Explorer es investigar los fuertes procesos interactivos que acoplan los plasmas calientes, tenues y convectivos de la magnetosfera y los plasmas y gases más fríos y densos que corrotan en la ionosfera, la atmósfera superior y la plasmasfera de la Tierra . Dos satélites, DE-1 y DE-2, se lanzaron juntos y se colocaron en órbitas coplanares polares, lo que permitió mediciones simultáneas a altitudes altas y bajas en la misma región de línea de campo. ^[2]

La forma general de la nave espacial era un polígono corto de 137 cm (54 pulgadas) de diámetro y 115 cm (45 pulgadas) de alto. Las antenas triaxiales tenían 23 m (75 pies) de punta a punta. Se proporcionó un brazo de 6 m (20 pies) para mediciones remotas. El peso de la nave espacial era de 420 kg (930 libras). La energía era suministrada por un conjunto de células solares, que cargaban dos baterías de níquel-cadmio de 6 amperios hora . La nave espacial estaba estabilizada en tres ejes con el eje de guiñada alineado hacia el centro de la Tierra con una precisión de 1°. El eje de giro era normal al plano de la órbita con una precisión de 1° con una velocidad de giro de una revolución por órbita. Se incluyó una plataforma de escaneo de un solo eje para montar el instrumento de plasma de baja altitud (1981-070B-08). La plataforma giraba sobre el eje de giro. Se utilizó un sistema de datos de telemetría de modulación de código de pulso que operaba en tiempo real o en modo de grabadora de cinta . Los datos se adquirieron sobre una base orientada a problemas científicos, con operaciones estrechamente coordinadas de los diversos instrumentos, tanto satélites como experimentos de apoyo. Las mediciones se almacenaron temporalmente en grabadoras de cinta antes de su transmisión con una relación de reproducción-grabación de 8:1. Dado que los comandos también se almacenaban en una unidad de memoria de comandos, las operaciones de la nave espacial no se realizaban en tiempo real. ^[2]

El objetivo de esta investigación fue estudiar las respuestas dinámicas de la termosfera y la ionosfera a la deposición de energía en forma de calentamiento Joule , precipitación de partículas y transferencia de momento por derivas generadas por campos eléctricos. El objetivo era determinar la importancia relativa de los diversos fenómenos y las condiciones bajo las cuales se produce el ordenamiento. Debido a que la importancia relativa de los diferentes procesos variaba con la actividad geomagnética, se examinaron tanto las condiciones geomagnéticamente tranquilas como las perturbadas. Utilizando modelos teóricos como herramientas, el objetivo principal era analizar cuantitativamente los procesos físicos involucrados en el acoplamiento de energía entre la magnetosfera y la termosfera. Además de los datos obtenidos de varios instrumentos satelitales DE, la investigación planeó utilizar mediciones correlativas basadas en tierra. ^[3]

El interferómetro Fabry-Pérot (FPI) fue un instrumento de teledetección de alta resolución diseñado para medir la temperatura termosférica, el viento meridional y la densidad de los siguientes átomos metaestables: oxígeno atómico (singlete S y D) y el estado 2P del oxígeno atómico iónico. El FPI realizó un análisis de longitud de onda de la luz detectada a partir de las características de emisión de la termosfera escaneando espacialmente el plano de la franja de interferencia con un detector de matriz multicanal. El análisis de longitud de onda caracterizó el perfil de línea Doppler de las especies emisoras. Un escaneo de altitud secuencial realizado por un espejo de escaneo del horizonte comandable proporcionó una vista transversal del estado termodinámico y dinámico de la termosfera debajo de la órbita DE-2. La información obtenida de esta investigación se utilizó para estudiar la respuesta dinámica de la termosfera a las fuentes de energía causadas por los campos eléctricos magnetosféricos y la absorción de luz ultravioleta solar en la termosfera. El instrumento se basó en el experimento de resplandor aéreo visible (VAE) utilizado en el programa Atmospheric Explorer . La adición de un espejo de barrido, el etalón Fabry-Pérot, un detector de plano de imagen y una lámpara de calibración fueron las principales diferencias. Los filtros de interferencia aislaron las líneas en (en angstroms ) 5577, 6300, 7320, 5896 y 5200. El FPI tenía un campo de visión de 0,53° (ángulo de semicono). Desde el 16 de febrero de 1982 hasta el 11 de septiembre de 1982, el satélite DE-2 estuvo invertido y el FPI midió las emisiones galácticas . ^[4]

El medidor de deriva de iones (IDM) midió los movimientos en masa del plasma ionosférico perpendicular al vector de velocidad del satélite. Los parámetros medidos, velocidades de deriva de iones horizontales y verticales, tenían un rango esperado de ± 4 km/s (2,5 mi/s). Se esperaba que la precisión de la medición fuera de ± 50 km/s (31 mi/s) para la precisión anticipada de 0,5° en la determinación de la actitud del vehículo. La resolución temporal nominal de la medición fue de 1/32 segundos. Esta investigación arrojó información sobre: ​​(1) el patrón de convección de iones (campo eléctrico) en la ionosfera auroral y polar; (2) el flujo de plasma a lo largo de las líneas de campo magnético dentro de la plasmasfera, que determina si este movimiento fue simplemente una respiración de la protonosfera , un rellenado de esta región después de una tormenta o un transporte interhemisférico de plasma; (3) la contribución de iones térmicos a las corrientes eléctricas alineadas con el campo; (4) campos de velocidad asociados con fenómenos de pequeña escala que son importantes tanto en latitudes bajas como altas; y (5) la magnitud y variación de la concentración total a lo largo de la trayectoria de vuelo. El medidor de deriva de iones midió el movimiento del plasma paralelo a la cara del sensor utilizando un colimador en cuadrícula y múltiples colectores para determinar la dirección de llegada del plasma. La geometría del instrumento fue muy similar a la utilizada en los satélites Atmospheric Explorer. Cada sensor constaba de una abertura de entrada cuadrada que servía como colimador , algunas rejillas eléctricamente aislantes y un colector plano segmentado. El ángulo de llegada de los iones con respecto al sensor se determinó midiendo la relación de las corrientes con los diferentes segmentos del colector, y esto se hizo tomando la diferencia en los logaritmos de la corriente. Se utilizaron dos técnicas para determinar esta relación. En el sensor de deriva estándar (SDS), los segmentos del colector se conectaron en pares a dos amplificadores logarítmicos. La segunda técnica, llamada sensor de deriva universal (UDS), permitió la medición simultánea de ambos componentes. Aquí, cada segmento del colector estaba conectado permanentemente a un amplificador logarítmico y se utilizaban dos amplificadores diferenciales para determinar simultáneamente los ángulos de llegada horizontal y vertical. El IDM constaba de dos sensores, uno que proporcionaba la salida SDS y el otro la salida UDS. Durante el período comprendido entre el 17 de marzo de 1981 y el 7 de mayo de 1982, la memoria del instrumento sufrió una alteración crítica y no se disponía de datos sobre las temperaturas y derivas de los iones durante este período. ^[5]

El instrumento de sonda Langmuir (LANG) era una sonda electrostática cilíndrica que obtenía mediciones de temperatura de electrones , telurio (Te), y concentración de electrones o iones, Ne o Ni, respectivamente, y potencial de naves espaciales. Los datos de esta investigación se utilizaron para proporcionar mediciones de temperatura y densidad a lo largo de líneas de campo magnético relacionadas con la energía térmica y los flujos de partículas dentro del sistema magnetosfera-ionosfera, para proporcionar condiciones de plasma térmico para interacciones onda-partícula y para medir efectos ionosféricos a gran escala y de estructura fina de la deposición de energía en la ionosfera. El instrumento de sonda Langmuir era idéntico al utilizado en los satélites Atmospheric Explorer y Pioneer Venus Orbiter . Se conectaron dos sensores independientes a circuitos de voltaje de barrido adaptativo individuales que rastreaban continuamente la temperatura cambiante de los electrones y el potencial de la nave espacial, mientras que los electrómetros de rango automático ajustaban su ganancia en respuesta a la densidad cambiante del plasma. Las señales de control utilizadas para lograr este seguimiento automático proporcionaron un monitoreo continuo de los parámetros ionosféricos sin telemetría de cada curva de voltio-amperio (VI). Además, los circuitos de almacenamiento de datos internos permitieron un muestreo de alta resolución y alta velocidad de datos de curvas VI seleccionadas para su transmisión a tierra con el fin de verificar o corregir los datos procesados ​​durante el vuelo. La resolución temporal fue de 0,5 segundos. ^[6]

El instrumento de plasma de baja altitud (LAPI) proporcionó mediciones espaciales de velocidad de alta resolución de iones positivos y electrones desde 5 eV hasta 32 keV, y un monitor de electrones con energías superiores a 35 keV. Las mediciones del ángulo de inclinación cubrieron el rango completo de 180°. Los datos de esta investigación y las mediciones de apoyo se utilizaron para estudiar: (1) la identificación e intensidades de las corrientes de Birkeland, (2) regiones de origen de partículas aurorales y mecanismos de aceleración, (3) la existencia y el papel de E paralelo a B, (4) fuentes y efectos de los flujos de partículas del casquete polar, (5) el transporte de plasma dentro y a través de la cúspide magnetosférica, (6) configuraciones dinámicas de tubos de flujo de alta latitud, (7) efectos de cono de pérdida de interacciones onda-partícula, (8) interacciones de plasma caliente-frío, (9) efectos ionosféricos de precipitación de partículas, y (10) convección de plasma a grandes altitudes. El instrumento contenía un conjunto de 15 analizadores electrostáticos parabólicos del tipo ISIS 2, cada uno con un canal de electrones y un canal de iones, para obtener distribuciones detalladas de ángulo de inclinación en función de la energía. Se montaron dos contadores Geiger-Müller en la plataforma de escaneo. El modo básico de operación proporcionó un espectro de energía de 32 puntos en el rango de 5 eV a 32 keV por segundo. Los voltajes en los analizadores electrostáticos eran programables para permitir una mayor resolución espacio/temporal en porciones limitadas de las distribuciones de energía y angulares. El instrumento estaba montado en una plataforma de escaneo de un eje controlada por un magnetómetro, cuyo propósito era mantener el conjunto de detectores, que abarcaba 180°, en un ángulo casi constante con el campo magnético. Desde el 16 de marzo de 1982 hasta el 4 de abril de 1982, el instrumento estuvo apagado para tomar medidas correctivas. ^[7]

En esta investigación se utilizaron las funciones de distribución de partículas supratérmicas medidas por los instrumentos de plasma de altitud alta (1981-070A-05) y baja (1981-070B-08). Los objetivos fueron: (1) estudiar las propiedades y ubicaciones de los mecanismos de aceleración auroral, (2) determinar la naturaleza y distribución de los campos eléctricos paralelos al campo magnético, (3) identificar los portadores de carga de los principales sistemas de corriente eléctrica que acoplan la magnetosfera y la ionosfera, y (4) determinar las relaciones entre estas cantidades y el campo eléctrico de convección y los patrones de emisión de luz auroral. ^[8]

Se utilizó un magnetómetro de compuerta de flujo triaxial (MAG-B), similar al que se encontraba a bordo del Dynamics Explorer 1 (1981-070A-01), para obtener los datos del campo magnético necesarios para estudiar el acoplamiento magnetosfera-ionosfera-atmósfera. Los objetivos principales de esta investigación fueron medir las corrientes alineadas con el campo en el óvalo auroral y sobre el casquete polar a dos altitudes diferentes utilizando las dos naves espaciales y correlacionar estas mediciones con las observaciones de campos eléctricos, ondas de plasma, partículas supratérmicas, partículas térmicas e imágenes aurorales obtenidas de la investigación 1981-070A-03. El magnetómetro tenía una compensación digital del campo ambiental en incrementos de 8,E3 nT (8,E3 gamma ). El instrumento incorporaba su propio convertidor analógico a digital de 12 bits , un registro de compensación digital de 4 bits para cada eje y un control del sistema que generaba una palabra de datos de 48 bits que consistía en una representación de 16 bits del campo medido a lo largo de cada uno de los tres ejes del magnetómetro. Se utilizaron módulos de seguimiento y retención para obtener muestras simultáneas en los tres ejes. El ancho de banda del instrumento fue de 25 Hz. El rango analógico fue de ± 6,2E4 nT, la precisión fue de ± 4 nT y la resolución fue de 1,5 nT. La resolución temporal fue de 16 muestras vectoriales por segundo. ^[9]

Esta investigación utilizó datos de varios instrumentos de naves espaciales para estudiar lo siguiente: (1) la dinámica termosférica global (los efectos de la entrada de energía a la termosfera desde la magnetosfera por convección, calentamiento Joule, precipitación de partículas y energía de marea), (2) el acoplamiento convectivo del plasma térmico entre la ionosfera y la magnetosfera; y (3) los mecanismos de pérdida de energía de los fotoelectrones ionosféricos en la plasmasfera. ^[10]

El Espectrómetro de Composición de Atmósfera Neutra (NACS) fue diseñado para obtener mediciones in situ de la composición atmosférica neutra y para estudiar las variaciones de la atmósfera neutra en respuesta a la energía acoplada a ella desde la magnetosfera. Debido a que los aumentos de temperatura, las celdas de circulación a gran escala y la propagación de ondas son producidos por la entrada de energía (cada una de las cuales posee una firma específica en la variación de la composición), las mediciones permitieron el estudio de la partición, el flujo y la deposición de energía desde la magnetosfera. Específicamente, el objetivo de la investigación fue caracterizar la composición de la atmósfera neutra con especial énfasis en la variabilidad en las densidades constituyentes impulsadas por interacciones en el sistema de atmósfera, ionosfera y magnetosfera. El espectrómetro de masas cuadrupolo utilizado fue casi idéntico a los que volaron en las misiones Explorer 51 (AE-C), Explorer 54 (AE-D) y Explorer 55 (AE-E). La fuente de iones de impacto de electrones se utilizó en un modo cerrado. Las partículas atmosféricas ingresaron a una antecámara a través de un orificio con borde afilado, donde se termalizaron a la temperatura del instrumento. Los iones con las relaciones carga-masa seleccionadas tenían trayectorias estables a través del campo eléctrico hiperbólico, salían del analizador y entraban en el sistema de detección. Un multiplicador de dínodo de berilio-cobre fuera de eje que operaba con una ganancia de 2,E6 proporcionaba un pulso de salida de electrones para cada llegada de iones. La salida del detector tenía una frecuencia de pulso proporcional a la densidad neutra en la fuente de iones de la masa seleccionada. El instrumento también incluía dos deflectores que escaneaban a través del orificio de entrada para la medición opcional de los componentes zonales y verticales del viento neutro. El sistema de selección de masas proporcionaba 256 valores de masa entre 0 y 51 unidades de masa atómica (u) o cada unidad de 0,2. Era posible llamar a cualquiera de estos números de masa en cada uno de los ocho intervalos de 0,016 segundos. Esta secuencia se repetía cada 0,128 segundos. ^[11]

En esta investigación se utilizaron datos de varios instrumentos de naves espaciales para estudiar las interacciones de plasma neutro a gran escala en la termosfera causadas por procesos de acoplamiento magnetosférico-ionosférico y termosférico. El uso previsto de los modelos es proporcionar un marco teórico en el que se calculen de manera consistente ciertas propiedades ionosféricas y atmosféricas importantes necesarias para los procesos de acoplamiento (como las conductividades de Pedersen y Hall) utilizando datos satelitales medidos a una altura determinada. Los ejemplos previstos son: (1) calcular perfiles verticales de propiedades ionosféricas que fueron útiles para la comparación con mediciones incoherentes de radar de dispersión y otros datos de apoyo basados ​​en tierra, (2) identificar y evaluar las fuentes de calor y momento neutros de la termosfera, y (3) determinar la eficacia de los procesos dinámicos de alta latitud en el control de la circulación y la estructura térmica globales de la termosfera. ^[12]

El analizador de potencial retardante (RPA) midió la velocidad de los iones en masa en la dirección del movimiento de la nave espacial, las concentraciones de iones constituyentes y la temperatura de los iones a lo largo de la trayectoria del satélite. Estos parámetros se derivaron de un ajuste de mínimos cuadrados a la curva de flujo de número de iones versus energía obtenida al barrer o escalonar el voltaje aplicado a las rejillas de retardo internas del RPA. Además, se voló un sensor de apertura amplia independiente, un sensor de conducto, para medir las características espectrales de las irregularidades en la concentración total de iones. Los parámetros medidos obtenidos de esta investigación fueron importantes para la comprensión de los mecanismos que influyen en el plasma; es decir, para comprender el acoplamiento entre el viento solar y la atmósfera terrestre. Las mediciones se realizaron con un analizador de potencial retardante planar de múltiples rejillas muy similar en concepto y geometría a los instrumentos transportados en los satélites Atmospheric Explorer. El potencial retardante fue variable en el rango de aproximadamente +32 a 0 voltios . Los detalles de este trazo de voltaje, y si era continuo o escalonado, dependían del modo de funcionamiento del instrumento. Los parámetros específicos deducidos de estas mediciones fueron la temperatura de los iones, el potencial del vehículo, el componente de ariete de la velocidad de deriva de los iones, el espectro de irregularidad de la concentración de iones y electrones, y la concentración de H+, He+, O+ y Fe+, y de iones moleculares cerca del perigeo . ^[13]

El instrumento de campo eléctrico vectorial (VEFI) utilizó técnicas de doble sonda probadas en vuelo con líneas base de 20 m (66 pies) para obtener mediciones de campos eléctricos de CC. Esta investigación del campo eléctrico tenía los siguientes objetivos: (1) obtener mediciones precisas y completas del campo eléctrico de CC triaxial a altitudes ionosféricas para refinar los patrones espaciales básicos, definir el historial temporal a gran escala de estos patrones y estudiar las variaciones temporales y espaciales a pequeña escala dentro de los patrones generales; (2) estudiar el grado en el que y en qué región se proyecta el campo eléctrico al plano ecuatorial; (3) obtener mediciones de estructuras irregulares de frecuencia extremadamente baja ( ELF ) y de frecuencia más baja; y (4) realizar numerosos estudios correlativos. El instrumento constaba de seis elementos cilíndricos de 11 m (36 pies) de largo y 2,8 cm (1,1 pulgadas) de diámetro. Cada antena estaba aislada del plasma, excepto los 2 m exteriores (6 pies 7 pulgadas). La línea de base, o distancia entre los puntos medios de estos elementos activos de 2 m (6 pies 7 pulgadas), era de 20 m. Las antenas estaban entrelazadas a lo largo de los bordes para evitar la oscilación y aumentar su rigidez contra las fuerzas de arrastre. El sistema electrónico básico era muy similar en concepto a los utilizados en Explorer 50 (IMP-J) e ISEE-1 , pero modificado para una medición de tres ejes en una nave espacial que no giraba. En el núcleo del sistema estaban los preamplificadores de alta impedancia (1,E12 ohm ), cuyas salidas se restaban y digitalizaban con precisión (conversión A/D de 14 bits para una sensibilidad de aproximadamente 0,1 microvoltios/m) para mantener una alta resolución, para la posterior eliminación del producto vectorial de los vectores V y B en el procesamiento de datos. Esto proporcionó la medición básica de CC. Se utilizaron otros circuitos para ayudar a interpretar los datos de CC y medir las variaciones rápidas en las señales detectadas por las antenas. El rango de campo eléctrico de CC planificado fue de ± 1 V/m, la resolución planificada fue de 0,1 mV/m y el campo eléctrico variacional se midió de 4 Hz a 1024 Hz. El campo eléctrico de CC se midió a 16 muestras/segundo. El campo eléctrico variacional se midió de 1 microvoltio/m a 10 mV/m RMS. El par de antenas perpendicular al plano de la órbita no se desplegó. ^[14]

El Espectrómetro de Viento y Temperatura (WATS) midió los vientos neutros in situ , las temperaturas de las partículas neutras y las concentraciones de gases seleccionados. El objetivo de esta investigación fue estudiar las interrelaciones entre los vientos, las temperaturas, la deriva del plasma, los campos eléctricos y otras propiedades de la termosfera que se midieron con este y otros instrumentos en la nave espacial. El conocimiento de cómo se interrelacionan estas propiedades contribuyó a una comprensión de las consecuencias de la aceleración de partículas neutras por los iones en la ionosfera, la aceleración de iones por neutros que crean campos eléctricos y la transferencia de energía relacionada entre la ionosfera y la magnetosfera. Se midieron tres componentes del viento, uno normal al vector de velocidad del satélite en el plano horizontal, uno vertical y uno en la dirección del satélite. Se utilizó un espectrómetro de masas de cuadrupolo de potencial retardador, acoplado a la atmósfera a través de una antecámara con orificios precisos. Se operó en uno de dos modos: uno empleó la capacidad de retardo y el otro utilizó la fuente de iones como una fuente convencional no retardadora. Se utilizaron dos deflectores de exploración delante del espectrómetro de masas: uno se movía verticalmente y el otro horizontalmente. Las magnitudes de los componentes horizontal y vertical del viento normal al vector de velocidad de la nave espacial se calcularon a partir de mediciones de la relación angular entre la corriente de partículas neutras y el sensor. El componente de la velocidad total de la corriente en la dirección del satélite se midió directamente por el sistema del espectrómetro mediante la determinación del potencial retardador requerido. En altitudes demasiado altas para las mediciones de especies neutras, la operación planificada requería que el instrumento midiera únicamente las especies de iones térmicos. Se adaptó una serie de cuatro "ranuras" que se producían secuencialmente (cada una con un intervalo de medición de 2 segundos) para el formato de medición básico del instrumento. Se ordenaron diferentes funciones en estas "ranuras" en cualquier combinación, una por intervalo de medición. Por lo tanto, la resolución temporal puede ser de 2, 4, 6 u 8 segundos. ^[15]

Como consecuencia de un mal funcionamiento del vehículo de lanzamiento Thor-Delta 3913, cuyo motor principal se apagó un poco antes de lo previsto, el DE-2 tuvo que desplazarse a una órbita ligeramente inferior a la prevista. No se trató de un problema grave y la nave espacial había cumplido su vida útil prevista cuando volvió a entrar en la atmósfera terrestre el 19 de febrero de 1983.

El Dynamics Explorer-2 se encontraba en una órbita más baja cuando se dio por finalizada oficialmente la misión. El Dynamics Explorer 2 volvió a entrar en la atmósfera el 19 de febrero de 1983. ^[2]

• Explorador de dinámica 1
• Programa explorador

• Galería de imágenes de Dynamics Explorer