Explorador 55

Explorer 55 , también conocido como AE-E ( Atmosphere Explorer-E ), fue un satélite científico de la NASA perteneciente a la serie Atmosphere Explorer lanzado el 20 de noviembre de 1975 desde la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral (CCAFS) a bordo de un vehículo de lanzamiento Thor-Delta 2910 .

El propósito de la misión Explorer 55 (AE-E) era investigar los procesos químicos y los mecanismos de transferencia de energía que controlan la estructura y el comportamiento de la atmósfera de la Tierra y la ionosfera en la región de alta absorción de energía solar en latitudes bajas y ecuatoriales . El muestreo simultáneo en latitudes más altas fue realizado por la nave espacial Explorer 54 (AE-D) hasta su falla el 29 de enero de 1976, y luego por Explorer 51 (AE-C), hasta que reingresó el 12 de diciembre de 1978. Se utilizó el mismo tipo de nave espacial que Explorer 51, y la carga útil consistió en los mismos tipos de instrumentos excepto que se eliminaron los experimentos de óxido nítrico de electrones de baja energía y ultravioleta (UV) y se agregó un espectrómetro UV de retrodispersión para monitorear el contenido de ozono de la atmósfera. ^[3]

Los dos experimentos que se eliminaron eran más apropiados para las regiones de alta latitud. El perigeo recorrió más de 6 ciclos de latitud completos y dos ciclos de tiempo local durante el primer año después del lanzamiento, cuando la órbita era elíptica y la altura del perigeo variaba entre 130 km (81 mi) y 400 km (250 mi). La circularización de la órbita alrededor de 390 km (240 mi) se realizó el 20 de noviembre de 1976 y la nave espacial se elevó a esta altura cada vez que decaía a unos 250 km (160 mi). ^[3]

El Analizador Electrostático Miniatura (MESA) obtuvo datos sobre la densidad neutra de la atmósfera en el rango de altitud de 120 km (75 mi) a 400 km (250 mi), mediante las mediciones de la desaceleración del satélite debido a la resistencia aerodinámica , que es directamente proporcional a la densidad atmosférica. El instrumento constaba de tres acelerómetros de un solo eje , montados mutuamente en ángulos rectos, dos en el plano XY de la nave espacial y el otro a lo largo del eje Z. El instrumento determinaba la aceleración aplicada a partir de la fuerza electrostática necesaria para centrar nuevamente una masa de prueba. La salida del dispositivo era una frecuencia de pulso digital proporcional a la aceleración aplicada. El tiempo de muestreo de cada instrumento era de 0,25 segundos. Las mediciones permitieron determinar la densidad de la atmósfera neutra, monitorearon el empuje del "Sistema de Propulsión de Ajuste de Órbita" (OAPS), determinaron la altitud mínima del satélite, midieron el balanceo de la nave espacial y proporcionaron cierta información de detección de actitud. Se monitorearon las nutaciones de la nave espacial de menos de 0,01°. El instrumento tenía tres rangos de sensibilidad: 8.E-3 Gravedad de la Tierra (G) en modo de monitor OAPS; 4.E-4 G entre 120 km (75 mi) (± 2%) y 280 km (170 mi) (± 10%); y 2.E-5 G entre 180 km (110 mi) (± 2%) y 400 km (250 mi) (± 10%). Los números entre paréntesis representan errores. Puede haber un error sistemático de hasta ± 5% debido a la incertidumbre del coeficiente de arrastre. La altitud de medición más alta se determinó asumiendo que el instrumento podía detectar hasta el 0,2% de la escala completa. ^[4]

El instrumento de retrodispersión ultravioleta (BUV) monitoreó la distribución espacial del ozono atmosférico midiendo la intensidad de la radiación ultravioleta retrodispersada desde la atmósfera terrestre. Para obtener esta distribución del ozono, el subsistema BUV midió la radiación solar directa y la radiación ultravioleta retrodispersada de la atmósfera iluminada por el sol durante el día. El instrumento constaba de un espectrómetro ( monocromador ) y un fotómetro . El monocromador midió la intensidad de la radiación ultravioleta retrodispersada y la radiación reflejada de la atmósfera terrestre en 12 longitudes de onda (2555 a 3398 A) en las que se produce la atenuación del ozono. El fotómetro midió la radiación ultravioleta reflejada en un único intervalo de longitudes de onda en el que no se produce la atenuación por el ozono. El BUV tenía cuatro modos de funcionamiento. ^[5]

Este experimento se realizó para medir, a lo largo de la órbita, las concentraciones individuales de todas las especies de iones térmicos en el rango de masas de 1 a 72 unidades de masa atómica (u) y en el rango de densidad ambiental de 5 a 5,E6 iones/cc. El rango de masas se escaneaba normalmente en 1,7 segundos, pero el tiempo de escaneo por rango podía aumentarse mediante comandos. La determinación en laboratorio y en vuelo de la eficiencia del espectrómetro y la discriminación de masas permitieron la conversión directa de las corrientes de iones medidas a concentraciones ambientales. La correlación de estos datos medidos con los resultados de los experimentos complementarios, CEP (1975-107A-01) y RPA (1975-107A-04) permitió determinar las concentraciones de iones individuales con alta precisión. Los cuatro componentes mecánicos principales del experimento fueron el anillo de protección y el tubo analizador de iones, el conjunto colector y preamplificador, el respiradero y la carcasa de la electrónica principal. Se voló un tubo Bennett de tres etapas con espacios de deriva de 7 a 5 ciclos; Se modificó para permitir la obtención de mediciones de concentración de iones a bajas altitudes. El equilibrio entre la sensibilidad a la corriente de iones y la resolución de masas en un espectrómetro Bennett se puede alterar modificando los voltajes apropiados. Estos cambios de voltaje se controlaban de forma independiente mediante el comando de tierra para cada uno de los tres rangos de masas: 1 a 4, 2 a 18 y 8 a 72. ^[6]

El manómetro de capacitancia que voló en el Explorer 55 (AE-E) fue principalmente un experimento de ingeniería para proporcionar datos sobre las operaciones de la nave espacial. Sin embargo, los datos de este experimento también se correlacionaron con los datos del acelerómetro y del medidor de iones para evaluar la resistencia aerodinámica del satélite. El manómetro, también conocido como Sensor de Presión B (PSB), proporcionó una medida directa de la presión atmosférica en la región por debajo de los 200 km (120 mi). La precisión del medidor PSB varió de aproximadamente el 10% a 120 km (75 mi) a aproximadamente el 40% a 180 km (110 mi). El PSB consistía en dos cámaras esféricas, controladas térmicamente, separadas por una membrana delgada estirada plana y bajo tensión radial. Cualquier deflexión del diafragma causada por un diferencial de presión entre los dos lados causó un cambio en la capacitancia entre el diafragma y un electrodo adyacente que polarizó un circuito de puente de CA. Se permitió que el aire ingresara a una de las cámaras a través de dos puertos separados 180° y perpendiculares al eje de giro de la nave espacial. De esta forma, la diferencia de presión entre la estela y el ariete se muestreó dos veces en cada revolución de la nave espacial. ^[7]

El medidor de iones de cátodo frío fue principalmente un experimento de ingeniería para proporcionar datos sobre el funcionamiento de la nave espacial. Sin embargo, los datos de este experimento se correlacionaron con los datos del acelerómetro y del manómetro de capacitancia para evaluar el rendimiento de la resistencia al avance del satélite. El medidor de iones, también conocido como Sensor de Presión A (PSA), midió la presión atmosférica en la región entre 120 km (75 mi) y 370 km (230 mi) sobre la superficie de la Tierra para valores de presión atmosférica entre 1.3E-3 y 1.3E-7 mb . La precisión estimada del PSA fue de ± 20%. El paquete de sensores de forma cilíndrica constaba de un orificio en forma de cuña, un cátodo cerca del potencial de tierra, un ánodo que operaba a aproximadamente 130 VCC y un campo magnético permanente de aproximadamente 0,16 t (1600 gauss ). El medidor no contenía una fuente primaria de electrones ionizantes. La descarga se iniciaba por emisión de campo y era autosostenida a una presión superior a 1.3E-7 mb. La corriente de iones se recogió en el cátodo. El sensor se montó en la nave espacial, con el orificio perpendicular al eje de giro de la nave espacial, que era normal al plano orbital. El instrumento funcionó en dos modos, en modo giratorio y en modo de deshilatura. Cuando la nave espacial estaba en modo giratorio, el PSA muestreaba alternativamente la presión de ariete y de estela. Cuando la nave espacial estaba en modo de deshilatura, el PSA se movía 30° con respecto a la dirección del movimiento. Los datos de este experimento no se grabaron en cinta, sino que se observaron en tiempo real. ^[8]

El CEP constaba de dos instrumentos idénticos diseñados para medir las temperaturas de los electrones, las concentraciones de electrones e iones, la masa de los iones y el potencial de la nave espacial. Una sonda estaba orientada a lo largo del eje de giro de la nave espacial (normalmente perpendicular al plano de la órbita) y la otra radialmente, de modo que pudiera observar en la dirección del vector de velocidad una vez cada período de giro de 15 segundos. Cada instrumento era un dispositivo de sonda Langmuir de potencial retardador que producía una curva de corriente-voltaje (IV) para un patrón de voltaje conocido colocado en el colector. Se utilizaban electrómetros para medir la corriente. Había dos sistemas de funcionamiento (uno con dos modos y otro con tres modos) que utilizaban patrones de voltaje del colector entre más y menos 5 voltios. La mayoría de los modos implicaban un ajuste automático o fijo de los límites de voltaje del colector (y/o la salida del electrómetro) de modo que la región de interés en el perfil IV proporcionara una alta resolución. Cada sistema estaba diseñado para usarse solo con una de las sondas, pero podían conmutarse entre sí para proporcionar redundancia de respaldo. Las mejores mediciones en los modos más favorables proporcionaban una resolución temporal de 1 segundo; temperatura de los electrones entre 300K y 10.000K (10% de precisión); densidad de iones entre 10.000 y 10.000.000 iones/cc (10-20% de precisión); densidad de electrones entre 50 y 1.000.000 electrones/cc; y masa de iones a densidades de iones superiores a 10.000. Cada sonda tenía un electrodo colector que se extendía desde el eje central de un anillo de protección cilíndrico. El anillo de protección de 2,5 cm (0,98 pulgadas) de largo estaba al final de un brazo de 25 cm (9,8 pulgadas), y el colector se extendía otros 7,5 cm (3,0 pulgadas) más allá del anillo de protección. El brazo, el protector y el colector tenían un diámetro de 0,2 cm (0,079 pulgadas). ^[9]

Este experimento fue una prueba de vuelo de un espectrómetro analizador de energía. ^[10]

El experimento Extreme Solar Ultraviolet Monitor (ESUM) realizó mediciones espectro-radiométricas de banda ancha absolutas del flujo solar EUV desde 200 A hasta Lyman-alfa a 1216 A y realizó mediciones precisas de la variabilidad temporal. El instrumento consistió en dos fotodiodos EUV idénticos sin ventanas con cátodos de óxido de aluminio y una rueda de filtros que contenía dos juegos de filtros metálicos sin respaldo ( aluminio , estaño , indio ) y una posición abierta. Un diodo de luz visible midió la transmitancia de los orificios de los filtros para determinar el fondo de luz blanca. El ángulo de inclinación del instrumento en relación con el eje +Z de la nave espacial se optimizó para el tiempo máximo de visualización del Sol en los modos de nave espacial giratorio y deshilachado. El campo de visión del instrumento fue de 60°. Los anchos de banda nominales en Angstroms para el 50% de la señal fueron de 270 a 550, de 570 a 584, de 800 a 935 y 1216 A. ^[11]

Este experimento midió in situ la distribución espacial y los cambios temporales de las concentraciones de las especies atmosféricas neutras. Además, se obtuvo una nueva perspectiva de las técnicas de medición in situ a partir de comparaciones de estas mediciones con las obtenidas de otros experimentos a bordo; a saber, el espectrómetro de fuente abierta (1975-107A-07), el espectrómetro solar EUV (1975-107A-06) y el acelerómetro de densidad atmosférica (1975-107A-02). El sensor del espectrómetro de masas tenía una cámara termalizadora de acero inoxidable bañada en oro y una fuente de iones, un analizador cuadrupolo de varilla hiperbólica y un multiplicador de electrones fuera del eje. Cuando operaba en el formato "normal", el analizador medía todas las masas en el rango de 1 a 44 unidades de masa atómica con énfasis en hidrógeno , helio , oxígeno , nitrógeno y argón . Otro formato fue optimizado para estudios de constituyentes menores de especies de gas en el rango medido. La resolución espacial fue determinada principalmente por el modo de operación de la nave espacial. En órbita, se abrió el espectrómetro presellado y los componentes atmosféricos pasaron a través de un orificio afilado como un cuchillo hacia la cámara de termalización y la fuente de iones. Los iones seleccionados salieron del analizador cuadrupolo a través de una lente de enfoque débil y fueron acelerados hacia un multiplicador de electrones, donde se los giró 90° para chocar con el primer dínodo. El espectrómetro tenía una resolución mejor que 1 unidad para todas las masas entre 1 y 44, y el sistema de medición tenía un rango dinámico planificado de aproximadamente 100.000.000. Se previó que el orificio del instrumento se cubriera durante las operaciones de los propulsores de la nave espacial. ^[12]

Este experimento fue diseñado para medir la temperatura cinética de la atmósfera neutra mediante la determinación de la densidad instantánea del nitrógeno molecular en una cámara esférica acoplada a la atmósfera a través de un orificio con borde afilado. El análisis de la variación de la densidad del nitrógeno molecular medida a lo largo de un ciclo de centrifugado con conocimiento del movimiento y la orientación del satélite condujo a una determinación de la temperatura ambiente, independientemente de la altura de la escala. Las mediciones de la composición neutra del ambiente se obtuvieron cuando se ordenó al instrumento que entrara en el modo apropiado. Se obtuvieron valores aproximados para el viento meridional a partir de la medición de la posición de la "corriente" en relación con la velocidad del satélite. También se realizó una medición alternativa de la temperatura neutra, utilizando un deflector insertado frente al orificio para interceptar una parte de la corriente de partículas de gas que entraba en la cámara. Cuando el satélite estaba en el modo de deshilachado, se hizo que el deflector oscilara de manera escalonada para interrumpir la corriente de partículas vista por la cámara con orificio. Estas variaciones de densidad de la cámara se interpretaron para producir también la temperatura cinética del gas neutro. Una fuente de iones de doble filamento tomó muestras del nitrógeno molecular termalizado en la cámara y produjo una densidad de haz de iones proporcional a la densidad de nitrógeno de la cámara. Desde la fuente, este haz de nitrógeno ionizado se dirigió a un analizador cuadrupolo, ajustado para dejar pasar aquellas partículas con una relación masa-carga de 28. Luego, el haz golpeó un multiplicador de electrones y los pulsos de salida se amplificaron y contaron. El sensor se selló al vacío antes del lanzamiento y se abrió a la atmósfera después de que la nave espacial estuviera en órbita. ^[13]

El objetivo de este experimento fue contribuir al estudio de los procesos químicos, dinámicos y energéticos que controlan la estructura de la termosfera, proporcionando mediciones directas in situ de los constituyentes atmosféricos neutros, tanto mayores como menores, que tienen masas en el rango de 1 a 48 unidades de masa atómica (u). Se voló un espectrómetro de masas de deflexión magnética Mattauch-Herzog de doble enfoque con una fuente de iones de impacto. Se incluyeron dos colectores de iones para medir iones que difieren en masa por un factor de 8; es decir, los dos rangos de masa cubiertos fueron de 1 a 6 y de 6 a 48 unidades. En la fuente de iones, las especies neutras se ionizaron por medio del impacto de electrones. Las energías de los electrones fueron seleccionables; 75 eV para el modo de alto eV y 25 eV para el modo de bajo eV. A altitudes superiores a 380 km (240 mi), las corrientes de iones se midieron con un multiplicador de electrones. Los conteos se acumularon durante 1/20 segundos antes de cambiar automáticamente a un número de masa diferente. Aunque se podían barrer espectros de masas completos, en el modo de operación común se empleaba el escalonamiento de picos; las lecturas de los picos principales en el espectro de masas se repetían aproximadamente cada 0,5 segundos y en otras especies con menor frecuencia. Los datos por debajo de los 380 km (240 mi) se midieron utilizando un electrómetro . Además del modo de escalonamiento de picos, había varios otros modos de operación que se seleccionaban mediante el comando terrestre. En el modo de vuelo, las partículas ambientales que golpeaban la fuente de iones retenían energías inferiores a 0,1 eV, lo que no era lo suficientemente alto como para superar el potencial de carga espacial negativo que retenía los iones en el haz. Las partículas ambientales que no golpeaban la fuente de iones retenían su energía entrante de varios eV después de la ionización y escapaban a la región de aceleración del analizador. ^[14]

Este experimento fue diseñado para proporcionar información sobre la intensidad, distribución angular, espectro de energía y flujo neto a lo largo de líneas de campo de electrones en la termosfera con energías entre 1 y 500 eV. El instrumento consistía en dos analizadores electrostáticos hemisféricos idénticos con direcciones opuestas y contenía 30 modos de funcionamiento. Cada espectrómetro tenía una resolución de energía relativa de ± 2,5% y un factor geométrico del orden de 0,001 cm2 ⁽ 0,00016 pulgadas cuadradas)-sr, independientemente de la energía del electrón. Se podían medir tres rangos de energía separados: 0 a 25, 0 a 100 y 0 a 500 eV. Las mediciones de estos intervalos se podían secuenciar de cinco formas diferentes. Los datos se podían tomar de cada sensor por separado o alternativamente con una resolución temporal que variaba de 0,25 a 8 segundos. Había dos velocidades de escaneo de voltaje de deflexión determinadas por el reloj de la nave espacial. Este voltaje se modificó en 64 pasos y se realizó a razón de 4 o 16 pasos por cuadro de telemetría. Con 16 cuadros/s, esto permitió elegir entre un espectro de 64 puntos o cuatro espectros de 16 puntos en un segundo. El ciclo de datos más largo (8 segundos) implicó observaciones utilizando pasos de voltaje crecientes para los rangos de energía más bajos, medios, más bajos y luego más altos (en ese orden) durante 1 segundo cada uno. Una repetición para los pasos de voltaje decrecientes completó el ciclo. ^[15]

Este experimento de ingeniería midió el daño causado por la radiación a los dispositivos semiconductores . ^[16]

Este experimento fue diseñado para determinar las velocidades de deriva de iones vectoriales, la concentración y temperatura de iones, la rugosidad de la concentración total de iones y el potencial de la nave espacial. El experimento consistió en un analizador de potencial retardador con cuatro cabezales de sensor planares. Los cabezales de sensor estaban espaciados casi por igual alrededor del ecuador del satélite. Dado que el eje de giro del satélite era perpendicular al plano de la órbita, estos cabezales podían observar a lo largo del vector de velocidad de la nave espacial, ya sea en el modo de giro o de desgiro de la nave espacial. Tres de los cabezales de sensor eran similares. Tenían dos rejillas de entrada conectadas a tierra, dos rejillas retardadoras, una rejilla supresora, una rejilla de protección y un colector. Se aplicó normalmente un voltaje de barrido lineal (32 o 22 a 0 V, hacia arriba o hacia abajo) a las rejillas retardadoras en 0,75 s. La interpretación de los perfiles de corriente-voltaje resultantes proporcionó la temperatura de los iones, la concentración de iones y electrones, cierta información sobre la composición de los iones y el potencial del vehículo y la velocidad de deriva del plasma paralela al vector de velocidad. Con la rejilla retardante a cero voltios constantes, se pudieron observar los cambios de corriente durante períodos de 3 s para obtener gradientes de concentración de iones. Los parámetros electrónicos se midieron de manera similar a los iones. Se pudieron identificar iones en el rango de masa de 1 a 4, 14 a 16, 24 a 32 y mayores de 40 unidades de masa atómica. El cuarto cabezal del sensor era para las mediciones de velocidad de deriva de iones y consistía en cuatro rejillas conectadas a tierra, una rejilla supresora polarizada negativamente y un colector de cuatro segmentos. Las diferencias en las corrientes de los segmentos del colector proporcionaron información sobre el componente direccional de la deriva de iones. ^[17]

El Espectrómetro Ultravioleta Extremo (EUVS) se utilizó para observar las variaciones en el flujo solar EUV en el rango de longitud de onda de 140 a 1850 A y la atenuación atmosférica en varias longitudes de onda fijas. Esto proporcionó datos cuantitativos de la estructura y composición atmosférica. El instrumento constaba de 24 monocromadores de rejilla de incidencia rasante, que utilizaban sistemas de rendijas paralelas para la colimación de entrada y detectores fotoeléctricos en las rendijas de salida. Doce de estos monocromadores tenían capacidad de escaneo de longitud de onda, cada uno con 128 posiciones de longitud de onda seleccionables, que también podían escanear automáticamente por pasos a través de estas posiciones. Los otros 12 monocromadores funcionaban en longitudes de onda fijas con campos de visión más pequeños que el disco solar completo para ayudar en el análisis de absorción atmosférica. La resolución espectral variaba de 2 a 54 A dependiendo del instrumento en particular. El campo de visión variaba de 60 x 60 a 3 x 6 minutos de arco. Los 24 ejes de entrada del monocromador estaban alineados en paralelo. Un sistema de apuntamiento solar podría apuntar a 256 posiciones diferentes y ejecutar un escaneo unidimensional de 16 pasos o un raster completo de 256 pasos. La resolución temporal variaba desde 0,5 s para observar 12 longitudes de onda fijas hasta 256 s para programar el EUVS a través de todos los modos posibles. ^[18]

Este experimento de ingeniería fue una alarma de temperatura que medía la temperatura de impacto en perigeos bajos. ^[19]

Este experimento proporcionó datos detallados sobre las tasas de excitación de los constituyentes atómicos y moleculares de la termosfera. El rango de longitud de onda, expresado en angstroms, se midió en pares: 7319 y 6563, 5300 y oscuro, 5577 y 7319, 2800 y 5200, 6300 y 5577, calibrado y 2800, y 6563 y 6300. Se utilizó un fotómetro que contenía dos canales ópticos separados, un campo de visión estrecho y un campo de visión amplio. La selección espectral se logró con una rueda de filtros que contenía seis filtros de interferencia y una posición oscura y calibrada. Los dos canales estaban separados por 90°. Un canal tenía un campo de visión de cono de medio ángulo de 3° para alta sensibilidad y apuntaba normalmente hacia el cenit local. El segundo tenía un campo de visión de 0,75° de medio cono para una alta resolución espacial, apuntando tangencialmente a la superficie de la Tierra cuando el satélite estaba en modo orientado. Ambos canales estaban protegidos de la contaminación por luz difusa durante el día con sistemas de deflectores de múltiples etapas. Los filtros funcionaron en varios modos. Los dos canales ópticos separados fueron monitoreados a intervalos de tiempo consistentes con su resolución angular en el modo giratorio. ^[20]

El Explorer-55 (AE-E) reingresó a la atmósfera el 10 de junio de 1981. ^[2]

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