SMART-1

SMART-1 fue un satélite de la Agencia Espacial Europea que orbitaba la Luna . Fue lanzado el 27 de septiembre de 2003 a las 23:14 UTC desde el Centro Espacial de Guayana en Kourou , Guayana Francesa . "SMART-1" significa Pequeñas Misiones para la Investigación Avanzada en Tecnología-1 , parte del programa Pequeñas Misiones para la Investigación Avanzada en Tecnología . El 3 de septiembre de 2006 (05:42 UTC), SMART-1 se estrelló deliberadamente contra la superficie lunar, poniendo fin a su misión. ^{[ 3 ]}

SMART-1 medía aproximadamente un metro de diámetro (3,3  pies) y era ligero en comparación con otras sondas. Su masa de lanzamiento era de 367  kg o 809 libras, de las cuales 287  kg (633  lb) no eran propelente.

Fue impulsada por un propulsor de efecto Hall alimentado por energía solar (Snecma PPS-1350 -G) que utilizaba 82  kg de gas xenón contenido en un tanque de 50 litros a una presión de 150 bar en el momento del lanzamiento. El propulsor de motor iónico utilizaba un campo electrostático para ionizar el xenón y acelerar los iones , logrando un impulso específico de 16,1  kN·s/kg (1640 segundos), más de tres veces el máximo para cohetes químicos. Un kg de propulsor (entre 1/350 y 1/300 de la masa total de la nave espacial) producía un delta-v de aproximadamente 45  m/s. El subsistema de propulsión eléctrica pesaba 29  kg con un consumo máximo de potencia de 1200 vatios. SMART-1 fue la primera misión del programa de Pequeñas Misiones para la Investigación y la Tecnología Avanzadas de la ESA.

Los paneles solares, con una capacidad de 1850 W al inicio de la misión, pudieron proporcionar la potencia máxima de 1190 W al propulsor, generando un empuje nominal de 68  mN, lo que resultó en una aceleración de 0,2  mm/s² ^o 0,7  m/s² por hora (es decir, una aceleración de poco menos de 0,00002 g ). Como en todas las naves propulsadas por motores iónicos, las maniobras orbitales no se realizaron en ráfagas cortas, sino de forma muy gradual. La trayectoria particular que siguió SMART-1 hacia la Luna requirió propulsión durante aproximadamente un tercio o la mitad de cada órbita. Al alejarse de la Tierra en espiral, la propulsión se realizó en el perigeo . Al final de la misión, el propulsor demostró la siguiente capacidad:

• Tiempo de funcionamiento del propulsor: 5000 h
• Rendimiento de xenón: 82  kg
• Impulso total: 1,2 MN-s
• ΔV total: 3,9  km/s

Como parte de la estrategia de la Agencia Espacial Europea para construir naves espaciales muy económicas y relativamente pequeñas , el coste total de SMART-1 fue de tan solo 110 millones de euros (unos 170 millones de dólares estadounidenses ). SMART-1 fue diseñada y desarrollada por la Corporación Espacial Sueca en nombre de la ESA . El ensamblaje de la nave espacial fue realizado por Saab Space en Linköping . Las pruebas de la nave espacial fueron dirigidas por la Corporación Espacial Sueca y ejecutadas por Saab Space. El director del proyecto en la ESA fue Giuseppe Racca hasta que la nave espacial alcanzó la órbita operativa lunar. Posteriormente, fue reemplazado por Gerhard Schwehm para la fase científica. El director del proyecto en la Corporación Espacial Sueca fue Peter Rathsman. El científico principal del proyecto fue Bernard Foing . El responsable del segmento terrestre durante la fase de preparación fue Mike McKay y el responsable de operaciones de la nave espacial fue Octavio Camino.

SMART-1 fue lanzado el 27 de septiembre de 2003 junto con Insat 3E y eBird 1 , mediante un cohete Ariane 5 desde el Centro Espacial de Guayana en la Guayana Francesa . Tras 42 minutos, fue liberado en una órbita de transferencia geoestacionaria de 7.035  ×  42.223  km . Desde allí, utilizó su sistema de propulsión primaria eléctrica solar (SEPP) para alejarse gradualmente en espiral durante trece meses.

La órbita se puede ver hasta el 26 de octubre de 2004 en spaceref.com , cuando la órbita era de 179.718 × 305.214 km. En esa fecha, después del pulso del motor número 289, el SEPP había acumulado un tiempo total de funcionamiento de casi 3.648 horas de un tiempo total de vuelo de 8.000 horas, por lo tanto, un poco menos de la mitad de su misión total. Consumió aproximadamente 58,8 kg de xenón y produjo un delta-v de 2.737 m/s (46,5 m/s por kg de xenón, 0,75 m/s por hora de funcionamiento). Se encendió de nuevo el 15 de noviembre para una combustión planificada de 4,5 días para entrar completamente en la órbita lunar. Tardó hasta febrero de 2005 utilizando el propulsor eléctrico para desacelerar hasta la órbita final de 300-3.000 km sobre la superficie de la Luna. ^{[ 9 ]} El rendimiento al final de la misión demostrado por el sistema de propulsión se indica más arriba.        

Después de su último perigeo el 2 de noviembre, ^{[ 10 ]} el 11 de noviembre de 2004 pasó por el punto de Lagrange L ₁ Tierra-Luna y entró en el área dominada por la influencia gravitacional de la Luna , y a las 1748 UT del 15 de noviembre pasó el primer periselene de su órbita lunar. La órbita osculadora en esa fecha era de 6704 × 53208 km, ^{[ 11 ]} con un período orbital de 129 horas, aunque la órbita real se completó en solo 89 horas. Esto ilustra el impacto significativo que tienen las igniciones de los motores en la órbita y marca el significado de la órbita osculadora, que es la órbita que recorrería la nave espacial si en ese instante cesaran todas las perturbaciones, incluido el empuje.   

La ESA anunció el 15 de febrero de 2005 una extensión de la misión SMART-1 por un año, hasta agosto de 2006. Esta fecha se modificó posteriormente al 3 de septiembre de 2006 para permitir más observaciones científicas desde la Tierra. ^{[ 12 ]}

Impacto lunar

El SMART-1 impactó la superficie lunar, según lo previsto, el 3 de septiembre de 2006 a las 05:42:22 UTC , finalizando así su misión. Con una velocidad aproximada de 2000  m/s (4500  mph), el SMART-1 produjo un impacto visible desde la Tierra con telescopios terrestres. Se espera que esto no solo proporcione datos que simulen el impacto de un meteorito , sino que también permita analizar espectroscópicamente materiales del subsuelo, como el hielo de agua .

La ESA estimó originalmente que el impacto ocurrió en 34°24′S 46°12′W / 34.4°S 46.2°W / -34.4; -46.2 . ^{[ 13 ]} En 2017, el sitio de impacto fue identificado a partir de datos del Lunar Reconnaissance Orbiter en 34°15′43″S 46°11′35″W / 34.262°S 46.193°W / -34.262; -46.193 . ^{[ 2 ] [ 14 ]} En el momento del impacto, la Luna era visible en América del Norte y del Sur, y lugares en el Océano Pacífico, pero no en Europa, África o Asia occidental.

Este proyecto ha generado datos y conocimientos que se utilizarán para otras misiones, como la misión BepiColombo de la ESA a Mercurio .

Animación de SMART-1

Alrededor de la Tierra

Alrededor de la Luna

  SMART-1 · Tierra · Luna      

• 27 de septiembre de 2003: El satélite SMART-1 fue lanzado desde el Puerto Espacial Europeo en Kourou mediante un cohete Ariane 5 .
• 17 de junio de 2004: SMART-1 tomó una imagen de prueba de la Tierra con la cámara que posteriormente se usaría para primeros planos de la Luna. En ella se aprecian partes de Europa y África. Fue tomada el 21 de mayo con la cámara AMIE.
• 2 de noviembre de 2004: Último perigeo de la órbita terrestre.
• 15 de noviembre de 2004: Primer perilunio de la órbita lunar.
• 15 de enero de 2005: Se detecta calcio en Mare Crisium .
• 26 de enero de 2005: Se envían las primeras imágenes de cerca de la superficie lunar.
• 27 de febrero de 2005: Alcanzó su órbita final alrededor de la Luna con un período orbital de aproximadamente cinco horas.
• 15 de abril de 2005: Comienza la búsqueda de PEL .
• 3 de septiembre de 2006: La misión finaliza con un choque planificado contra la Luna durante la órbita número 2890. ^{[ 15 ]}

Las operaciones de Smart-1 se llevaron a cabo desde el Centro Europeo de Operaciones Espaciales (ESOC ) de la ESA en Darmstadt, Alemania, bajo la dirección del jefe de operaciones de la nave espacial, Octavio Camino .

El segmento terrestre de Smart-1 fue un buen ejemplo de reutilización de infraestructura en la ESA: infraestructura de dinámica de vuelo y sistema de distribución de datos (DDS) de Rosetta , Mars Express y Venus Express . El software genérico del sistema de control de misiones SCOS 2000 y un conjunto de elementos de interfaz genéricos utilizados en la ESA para las operaciones de sus misiones.

El uso de las normas CCSDS TLM y TC permitió una adaptación rentable de siete terminales diferentes de la red de seguimiento de la ESA ( ESTRACK ), además de Weilheim en Alemania (DLR).

Los componentes que se desarrollaron específicamente para Smart-1 fueron: el simulador; una combinación de hardware y software derivados del equipo de soporte eléctrico en tierra (EGSE), el sistema de planificación de misiones y el sistema de automatización desarrollados a partir de MOIS ( archivado el 3 de agosto de 2019 en Wayback Machine ; este último basado en un prototipo implementado para Envisat ) y un conjunto de herramientas de ingeniería llamado MUST . Este último permitió a los ingenieros de Smart-1 investigar anomalías a través de internet, siendo pioneros en la ESA en la monitorización del TLM de la nave espacial mediante teléfonos móviles y PDA , y en la recepción de alarmas de la nave espacial por SMS . ^{[ 16 ]}El equipo de control de la misión estaba compuesto por siete ingenieros del equipo de control de vuelo (ECV), un grupo variable de entre 2 y 5 ingenieros de dinámica de vuelo y entre 1 y 2 ingenieros de sistemas de datos. A diferencia de la mayoría de las misiones de la ESA, no había controladores de naves espaciales (SPACON), y todas las operaciones y actividades de planificación de la misión eran realizadas por el ECV. Este concepto generó horas extras y turnos nocturnos durante los primeros meses de la misión, pero funcionó bien durante el crucero y las fases lunares. La principal preocupación durante los primeros tres meses de la misión era abandonar los cinturones de radiación lo antes posible para minimizar la degradación de los paneles solares y los CCD del rastreador de estrellas.

El primer y más crítico problema surgió tras la primera revolución, cuando un fallo en el algoritmo de detección y corrección de errores (EDAC) a bordo activó un cambio automático al ordenador redundante en cada órbita, provocando varios reinicios y dejando la nave en modo SAFE tras cada paso por el pericentro. El análisis de la telemetría de la nave apuntó directamente a un problema con la rutina de interrupción del EDAC provocado por la radiación. ^{[ 17 ]}

Otras anomalías durante este período fueron una combinación de problemas ambientales: altas dosis de radiación, especialmente en los rastreadores de estrellas y anomalías en el software a bordo: la codificación Reed Solomon se corrompió después de cambiar las velocidades de datos y tuvo que ser desactivada. Se superó con procedimientos y cambios en el enfoque de las operaciones en tierra. Los rastreadores de estrellas también fueron objeto de frecuentes fallos durante el escape de la Tierra y causaron algunas de las interrupciones de la propulsión eléctrica (EP). ^{[ 18 ]} Todos se resolvieron con varios parches de software.

El EP mostró sensibilidad a la radiación que provocaba paradas. Este fenómeno, identificado como el Transitorio de Evento Único del Optoacoplador (OSET), observado inicialmente en LEOP durante el primer encendido con el cátodo B, se caracterizó por una rápida caída de la corriente del ánodo que activó la alarma de "Apagado de Llama" y provocó la parada del EP. Se identificó que el problema era la sensibilidad del optoacoplador inducida por la radiación. La solución a estos eventos consistía en reiniciar el propulsor. Esto se realizó manualmente durante varios meses hasta que se desarrolló un parche de software a bordo (OBSW) para detectarlo e iniciar un reinicio autónomo del propulsor. Su impacto se limitó al cálculo de predicción de órbita utilizado por las estaciones terrestres para rastrear la nave espacial y las correcciones orbitales subsiguientes.

Las distintas anomalías y las frecuentes interrupciones en el empuje de la propulsión eléctrica provocaron un aumento del apoyo de las estaciones terrestres y de las horas extras del equipo de operaciones de vuelo, que tuvo que reaccionar con rapidez. Su recuperación a veces fue lenta, especialmente cuando la nave espacial se encontraba en modo SAFE. ^{[ 19 ]} En general, impidieron que las operaciones se desarrollaran según lo previsto, con un intervalo de 8 horas cada 4 días.

La misión negoció el uso de la capacidad de reserva de la red ESTRACK . Este concepto permitió una cobertura de red aproximadamente ocho veces mayor sin coste adicional, pero generó gastos generales y conflictos inesperados. En última instancia, permitió establecer contactos adicionales con la nave espacial durante la fase inicial de la misión y un importante aumento de la actividad científica durante la fase lunar. Esta fase requirió una reconfiguración importante de los sistemas de a bordo y su funcionamiento. Este cambio, diseñado por el equipo de control de vuelo del ESOC e implementado por la Corporación Espacial Sueca en poco tiempo, requirió la reescritura de parte de los Procedimientos de Control de Vuelo (FOP) para las operaciones en la Luna.

Las operaciones durante la fase lunar se automatizaron en gran medida: la dinámica de vuelo se controlaba mediante menús, lo que permitía que más del 98 % de los comandos fueran generados por el Sistema de Planificación de la Misión (MPS). La extensión del sistema MPS con el denominado Ejecutor MOIS ^{[ 17 ]} se convirtió en el sistema de automatización Smart-1. Este sistema permitió operar el 70 % de los pasos sin tripulación hacia el final de la misión y validó el primer sistema operativo de automatización de naves espaciales en la ESA ^{[ 20 ] .}

La misión logró todos sus objetivos: salir de la influencia de los cinturones de radiación 3 meses después del lanzamiento, alejarse en espiral durante 11 meses y ser capturada por la Luna mediante resonancias, la puesta en marcha y operación de todos los instrumentos durante la fase de crucero y la optimización de los procedimientos de navegación y operación necesarios para el funcionamiento de la propulsión eléctrica. ^{[ 21 ]} El funcionamiento eficiente de la propulsión eléctrica en la Luna permitió reducir el radio orbital, lo que benefició las operaciones científicas y extendió esta misión un año más.

^{En la referencia [ 17 ]} se proporciona una cronología detallada de los eventos de las operaciones.

• Lanzamiento y fase inicial en órbita: Lanzamiento el 27 de septiembre de 2003, órbita inicial de 7.029 x 42.263  km.
• Escape del cinturón de Van Allen: Estrategia de empuje continuo para aumentar el radio del perigeo. La fase de escape se completó el 22 de diciembre de 2003, con una órbita de 20000 x 63427  km.
• Crucero de escape terrestre: Impulsarse alrededor del perigeo únicamente para aumentar el radio del apogeo.
• Resonancias lunares y captura: Asistencia de trayectoria mediante resonancias lunares. Captura lunar el 15 de noviembre de 2004 a 310 000  km de la Tierra y a 90 000  km de la Luna.
• Descenso lunar: Empuje utilizado para reducir la órbita, órbita operativa de 2200 x 4600  km.
• Ciencia lunar: Hasta el final de su vida útil en septiembre de 2006, interrumpida únicamente por una fase de reimpulso de un mes en septiembre de 2005 para optimizar la órbita lunar.
• Reajuste de órbita: Fase de entrada en junio/julio de 2006 utilizando los propulsores de actitud para ajustar la fecha y hora del impacto.
• Impacto lunar: Operaciones desde julio de 2006 hasta el impacto del 3 de septiembre de 2006.

Las fases completas de la misión desde la perspectiva de las operaciones están documentadas en ^{[ 22 ]} incluyendo el rendimiento de los diferentes subsistemas.

• Lista de objetos artificiales en la Luna

General

• Kaydash V., Kreslavsky M., Shkuratov Yu., Gerasimenko S., Pinet P., Chevrel S., Josset J.-L., Beauvivre S., Almeida M., Foing B. (2007). "CARACTERIZACIÓN FOTOMÉTRICA DE SITIOS LUNARES SELECCIONADOS MEDIANTE DATOS AMIE DE SMART-1" . Lunar Planetary Science, XXXVIII, resumen 1535.

• Sitio web oficial
• Sitio web científico de ESA SMART-1
• Perfil de la misión SMART-1 según el programa de exploración del sistema solar de la NASA.
• Observación del impacto de Smart-1
• SMART 1 en el portal científico serbio Viva fizika. Archivado el 28 de septiembre de 2007 en Wayback Machine.
• SMART-1, Europa en la Luna