Cassini-Huygens

Cassini-Huygens er en ubemannet romferd og et samarbeidsprosjekt mellom NASA, ESA og den italienske romfartsorganisasjonen ASI med den hensikt å studere Saturn og dens måner. Romfartøyet består av to hovedelementer: kretsløpsmodulen Cassini og landingsfartøyet Huygens. Det ble skutt opp 15. oktober 1997 og gikk inn i kretsløp rundt Saturn 1. juli 2004. Det er det første romfartøy som går i bane rundt Saturn, og det fjerde som noensinne besøker planeten.

En kunstners forestilling av Cassini under manøveren som setter den i bane omkring Saturn, like etter den siste nedbremsingen.

Oversikt

Oppskytningen fant sted kl. 0843 UTC 15. oktober 1997 fra Cape Canaveral Air Station i Florida, USA.

Cassinis hovedformål er å:

1. Undersøke den tredimensjonale strukturen og den dynamiske utvikling av Saturns ringer.
2. Undersøke sammensetningen av månenes overflate og deres geologiske historie.
3. Undersøke naturen og opprinnelsen til det mørke stoffet på månen Iapetus fremadrettede halvkule.
4. Måle den tredimensjonale strukturen og dynamiske utviklingen til Saturns magnetosfære.
5. Studere den dynamiske utviklingen av Saturns skyer i atmosfæren.
6. Studere variasjonen av Titans skyer og tåker.
7. Undersøke Titans overflate på lokalt nivå.

Romfartøyet Cassini-Huygens ble skutt opp den 15. oktober 1997 fra Kennedy Space Center ved hjelp av en U.S. Air Force Titan IVB/Centaur bærerakett. Bæreraketten var satt sammen av en totrinns Titan IV startrakett, to fastspente rakettmotorer, det øvre Centaur-trinnet, og en nyttelastkapsel.

Romfartøyet består av kretsløpsmodulen Cassini og landingsfartøyet Huygens. Cassini går i kretsløp omkring Saturn og dens måner, og skal gjøre det i fire år. Huygens skal gå inn i atmosfæren til månen Titan og lande på dens overflate. Cassini-Huygens er et internasjonalt samarbeid mellom tre romfartsorganisasjoner. Sytten land bidro til byggingen av fartøyet. Cassini-modulen ble bygget av, og opereres av NASA's Jet Propulsion Laboratory. Sonden Huygens ble bygget av European Space Agency. Den italienske romfartsorganisasjonen ASI leverte Cassinis kommunikasjonsantenne.

Totalkostnaden for Cassini-Huygens-ekspedisjonen er på omkring 3,26 milliarder US dollar, inkludert 1,4 mrd. til utvikling før oppskytning, 704 mill. for drift, 54 mill. for oppfølging og 422 mill. for oppskytningsraketten. USA bidro med 2,6 mrd. US dollar, ESA med 500 millioner og den Italienske Romfartsorganisasjonen med 160 millioner.

Cassini-Huygens er oppkalt etter den nederlandske astronomen Christiaan Huygens, som oppdaget Saturns første måne i 1655, og Giovanni Domenico Cassini fra Genova (idag Italia) som oppdaget fire av Saturns måner mellom 1671 og 1684.

Design av romfartøyet

Romfartøyet var opprinnelig planlagt som Mariner Mark II, en serie RTG-drevne romsonder med gyrostabilisator på tre akser, som var ment for romferder utenfor Mars' bane. Imidlertid førte forskjellige budskjettnedskjæringer og omberamminger av prosjektet til et mer spesialisert design, og implementasjonen av Mariner Mark II-seriene ble lagt på is inntil videre.

Cassini-Huygens er et av de største, tyngste og mest komplekse interplanetariske romfartøy som hittil har blitt bygd. Bare kretsløpmodulen i seg selv har en masse på 2150 kg. I tillegg kommer landingsfartøyet Huygens, tilpasningsstykke til utskytningsfartøyet, og 3132 kg brennstoff, som brakte totalmassen opp i 5600 kg. Bare Phobos-sondene som ble sendt til Mars av Sovjetunionen var tyngre. Cassini er mer enn 6,8 m høy, og over 4 meter bred. Fartøyet er komplekst både på grunn av innflygningsbanen til Saturn, og de mange forskjellige vitenskapelige undersøkelsene som skal gjøres ved Saturn. Det har 1630 elektriske kretser, 22 000 kabeltilkoblinger, og over 14 kilometer kabel.

I sin bane rundt Saturn, befinner Cassini seg mellom 8,2 og 10,2 astronomiske enheter (AU) fra Jorden. På grunn av denne avstanden tar det mellom 68 og 84 minutter for ett signal og reise fra fartøyet til Jorden, og det er akkurat det samme den andre veien. I praksis så betyr dette at kontrollørene på bakken ikke kan styre fartøyet i sanntid, hverken for instruksjoner dag for dag eller for å reagere på eventuelle uforutsette hendelser. På den tiden kontrollørene bruker på å bli klar over ett problem og til løsningen kommer frem vil det ha gått neste tre timer.

Cassini har følgende instrumenter ombord: en radar, et kamera med CCD-brikke, et spektrometer for synlig lys og infrarød, et infrarødt komposittspektrometer, en ultrafiolett bilde spektrograf, et instrument for avbildning av magnetosfæren, et magnetometer, og et massesepektrometer for ioner og nøytral materie. Telemetrien fra antennen og andre spesialsendere (en S-bånd-sender og et tofrekvenssystem på K_a-båndet) vil bli brukt for å observe atmosfærene på Titan og Saturn, og å måle tyngdefeltene til planeten og månene dens.

Plutonium som kontroversiell kraftkilde

Grunnet Saturns avstand fra Solen var ikke Solceller en egnet energikilde for romfartøyet. For å kunne produsere nok strøm til å drive det, måtte man ha hatt såpass store enheter at fartøyet rett og slett ikke ville ha kunnet bære det. Istedenfor drives fartøyet av tre termoeletriske radioisotopgeneratorer (RTG), som bruker varmen fra nedsmeltingen av plutonium (i form av plutoniumdioksid) for å skapte elektrisitet. Dissse RTGene er av samme design som de som drev Galileo- og Ulysses-fartøyene, som var laget for å ha lang operasjonell levetid. Når den elleve år lange Cassini-oppdraget er over, vil de ennå være kapable til å produsere 628 watt eletrisitet.

Cassinis bruk av plutonium er 32,8 kg og til dags dato det meste som er skutt ut i rommet. Bruken fikk massiv kritikk fra miljøgrupper, fysikere og en del tidligere ansatte ved NASA. NASA laget flere tester vedrørende oppdragets trygghet, som alle viste at det var trygt innen akseptable rammer. Den utregnede sjansen for radioaktiv lekkasje i løpet av de første tre og halve minuttene etter utskytning var 1 til 1400, og sjansen for lekkasje senere under rakettens tur mot himmelen var 1 til 476. Videre var sjansen for at fartøyet datt til bakken senere i oppdraget mindre en en til en million. I ett aller-verste-scenario ville høyst mulig 120 mennesker dø av kreft forårsaket av Cassini, og det i en periode på 50 år. Utregningene ble spottet av kritikerne som støttet seg på fysikkprofessoren Michio Kaku utregninger, som foreslo at om plutoniumsbeholderne overlevde veien inn i atmosfæren og kræsjet i ett tettere bebygget område ville 200.000 dø.

For å skaffe den nødvendige fremdriften for reisen til Saturn, inneholdt Cassinis bane flere gravitasjonsmanøvre: To rundt planeten Venus, en rundt Jorden og så en forbi Jupiter. Passeringen av Jorden som ble gjennomført med godt resultat den 18. august 1999 var det siste punket på fartøyets reise hvor det var en potensiell fare for mennesker. Hadde den feilet, kunne innholdet i RTGene blitt sluppet ut over jordens atmosfære. Ett lite antall aktivister fortsatte å demonstrere etter manøveren. Mot-demonstranter fra National Space Society bar faner med påskriften CASSINI IS GO. Den 11. juni 2004 entret fartøyet planetsystemet rundt Saturn.

Huygenssonden

Fil:Huygensprobe.jpg

Sonden Huygens daler ned gjennom Titans dystre brunorange atmosfære av nitrogen- og karbonbaserte molekyler. (En kunstners inntrykk)

Huygens-sonden, som er gitt av Den europeiske romfartsorganisasjonen (ESA) og oppkalt etter den nederlandske astronomen Christiaan Huygens fra 1700-tallet, vil granske skyer, atmosfæren og overflaten på Saturns måne Titan. Den er laget for at den skal kunne gå inn i Titans atmosfære og slippe ned ett fullstendig utstyrt robotlaberatorium ned på overflaten i fallskjerm. Huygenssonden består av to deler; sonden i seg selv, som vil gå ned på Titan og the probe support equipment (PSE), som vil være igjen i romfartøyet som går i bane rundt månen. PSEen inneholder utstyr for å lokalisere sonden, for å motta data i løpet av nedfarten, og for å prosessere dataene og videresende dem til satelitten, som deretter vil sende den videre til bakken.

Sonden har ligget i dvale gjennom den 6,7 år lange reisen gjennom rommet, bortsett fra rutinesjekker to ganger i året. Disse sjekkene simulerer nedstigningssekvensen så godt det lar seg gjøre, og resultatene sendes til Jorda, der de blir undersøkt av eksperter på landingssystemene og instrumentene ombord.

Prior to the probe's separation from the orbiter on December 25 2004, a final health check will be performed. The "coast" timer will be loaded with the precise time necessary to turn on the probe systems (15 minutes before its encounter with Titan's atmosphere), and then the probe will detach from the orbiter and coast to Titan for 22 days with no systems active except for its wake-up timer.

The main mission phase will be the parachute descent through Titan's atmosphere. The batteries and all other resources are sized for a Huygens mission duration of 153 minutes, corresponding to a maximum descent time of 2.5 hours plus at least 3 additional minutes (and possibly a half hour or more) on Titan's surface. The probe's radio link will be activated early in the descent phase, and the orbiter will "listen" to the probe for the next 3 hours, which includes the descent plus 30 minutes after impact. Not long after the end of this three-hour communication window, Cassini's high-gain antenna (HGA) will be turned away from Titan and toward Earth.

Instrumentering

(markert tekst trenger oversettelse)

Huygens-sonden har seks innviklete instrumenter ombord som skal forsikre at dataene fra Titan blir overført til Cassini og til Jorda, etter at at sonden stiger ned i Titans atmosfære. Disse seks er:

Huygens atmosfæriske struktur instrument (HASI)

This instrument contains a suite of sensors that will measure the physical and electrical properties of Titan's atmosphere. Accelerometers will measure forces in all three axes as the probe descends through the atmosphere. With the aerodynamic properties of the probe already known, it will be possible to determine the density of Titan's atmosphere and to detect wind gusts. In the event of a landing on a liquid surface, the probe motion due to waves will also be measurable. Temperature and pressure sensors will also measure the thermal properties of the atmosphere. The Permittivity and Electromagnetic Wave Analyzer component will measure the electron and ion (i.e., positively charged particle) conductivities of the atmosphere and search for electromagnetic wave activity. On the surface of Titan, the conductivity and permittivity (i.e., the ratio of electric flux density produced to the strength of the electric field producing the flux) of the surface material will be measured.

(markert tekst trenger oversettelse)

Doppler vind-eksperiment (DWE)

Dette ekperimentet vil bruke en ultra-stabil oscillator for å forbedre kommunikasjonen med sonden ved å gi den en svært stabil bærefrekvens. Sondens forflytning forårsaket av vinder i Titans atmosfære vil gi en målbar Doppler-forskyvning i bæresignalet. Sondens svingebevegelse under fallskjermen, som skyldes atmosfæriske forhold, kan også fanges opp.

Nedstigningskamera/spektralradiometer (DISR)

Dette instrumentet vil lage en rekke bilde- og spektralanalyser ved å bruke flere sensorer og observasjonsvinkler. Ved å måle oppadgående og nedadgående strømmer av stråling, vil en eventuell ubalanse i atmosfærens strålingsbalanse kunne måles. Solsensorer vil måle forskjeller i lysintensiteten fra solen som skyldes aerosoler i atmosfæren. Dette vil gjøre det mulig å beregne størrelsen og mengden av de svevende partiklene. To kameraer (ett synlig, ett infrarødt) vil observere overflaten i de siste stadiene av nedstigningen. Sonden vil snurre sakte rundt og bygge opp en mosaikk av bilder rundt landingsstedet. Det vil også være et kamera som er stilt vannrett for å få bilder av horisonten og undersiden av skydekket. For å gjøre spektralanalyser av overflater vil en lampe skrus på kort tid før landing. Dette gjøres ettersom dagslyset på overflaten er svært svakt.

Gasskromatograf Massespektrometer (GCMS)

Dette instrumentet vil være et allsidig kjemisk analyseinstrument som er laget for å identifisere og måle kjemikalier i Titans atmosfære. Det vil være utstyrt med en prøvetaker som fylles høyt i atmosfæren for analyse. Massespektrometeret vil bestemme molvekten av hver gass, og en kraftigere separasjon av de molekylære og isotopiske stoffene vil oppnås ved hjelp av gasskromatografen. Under nedstigningen vil GCMS'en også analysere pyrolyseprodukter (gassprøver endret ved oppvarming) som sendes fra en aerosolfanger. Til slutt vil GCMS'en måle sammensetningen av Titans overflate hvis sonden lander trygt. Denne undersøkelsen vil gjøres mulig ved å varme opp GCMS-instrumentet rett før landing slik at overflatemateriale som virvles opp fordamper.

Aerosol Collector and Pyrolyser (ACP)

This experiment will draw in aerosol particles from the atmosphere through filters, then heat the trapped samples in ovens (the process of pyrolysis) to vaporize volatiles and decompose the complex organic materials. The products will then be flushed along a pipe to the GCMS instrument for analysis. Two filters will be provided to collect samples at different altitudes.

Surface-Science Package (SSP)

The SSP contains a number of sensors designed to determine the physical properties of Titan's surface at the point of impact, whether the surface is solid or liquid. An acoustic sounder, activated during the last 100 meters of the descent, will continuously determine the distance to the surface, measuring the rate of descent and the surface roughness (e.g., due to waves). If the surface is liquid, the sounder will measure the speed of sound in the "ocean" and possibly also the subsurface structure (depth). During descent, measurements of the speed of sound will give information on atmospheric composition and temperature, and an accelerometer will accurately record the deceleration profile at impact, indicating the hardness and structure of the surface. A tilt sensor will measure any pendulum motion during the descent and will indicate the probe attitude after landing and show any motion due to waves. If the surface is, indeed, liquid, other sensors will measure its density, temperature and light reflecting properties, thermal conductivity, heat capacity, and electrical permittivity.

Viktige hendelser og oppdagelser

Tidslinje

A chronology of the mission can be found under Cassini-Huygens timeline. Following is a discussion of the more notable events and discoveries.

Passering av Jupiter

Jupiter fotografert av Cassini ved passering i desember 2000 (foto: NASA)

Cassini made its closest approach to Jupiter on December 30, 2000, and performed many scientific measurements. About 26 thousand images were taken of Jupiter during the course of the months-long flyby. The most detailed global color portrait of Jupiter ever was produced (see image at right), in which the smallest visible features are approximately 60 km (37 miles) across.

A major finding of the Jupiter flyby, announced[1] on March 6, 2003, was of the nature of Jupiter's atmospheric circulation. Dark "belts" alternate with light "zones" in the atmosphere. Scientists had long considered the zones, with their pale clouds, to be areas of upwelling air, partly because many clouds on Earth form where air is rising. Analysis of Cassini imagery, however, told a new story. Individual storm cells of upwelling bright-white clouds, too small to see from Earth, pop up almost without exception in the dark belts. According to Anthony Del Genio of NASA's Goddard Institute for Space Studies, "We have a clear picture emerging that the belts must be the areas of net-rising atmospheric motion on Jupiter, with the implication that the net motion in the zones has to be sinking."

Other atmospheric observations made included a swirling dark oval of high-atmosphere haze, about the size of the Great Red Spot, near Jupiter's north pole. Infrared imagery revealed aspects of circulation near the poles, with bands of globe-encircling winds, with adjacent bands moving in opposite directions.

The same announcement also discussed the nature of Jupiter's rings. Light scattering by particle in the rings revealed the particles were irregularly shaped (as opposed to being spherical) and likely originate as ejecta from micrometeorite impacts on Jupiter's moons, probably Metis and Adrastea.

(markert tekst trenger oversettelse)

Test av Einsteins generelle relativitetsteori

10. oktober 2003 offentliggjorde Cassini-teamet resultatet av en test av Einsteins generelle relativitetsteori, ved å bruke radiosignaler fra Cassini-sonden. Forskerne observerte en frekvensforskyvning i radiobølgene til og fra romfartøyet når signalene passerte nær Solen. I følge den generelle relativitetsteori, vil et massivt legeme som Solen forårsake at tid og rom avbøyes. Dette gjør at radiobølger (eller lys) som passerer nær Solen må tilbakelegge en lengre distanse på grunn av avbøyningen. Den ekstra distansen gjør at signalene når Jorden senere enn de ellers ville gjort. Hvor stor denne forsinkelsen er, gir en nøyaktig test på det Einsteins teori forutsier. Selv om avvik fra den generelle relativitetsteori forventes i noen kosmologiske modeller, ble ingen avvik funnet i dette eksperimentet. Tidligere tester har vært i overensstemmelse med de teoretiske beregningene med et avvik på en tusendel. Cassini-eksperimentet forbedret dette til 20 milliondeler, og dataene støtter fortsatt Einsteins teori.

Manglende eiker

A new, high-resolution picture of Saturn taken by Cassini on February 9, 2004 was publicly released a few weeks later. Mission scientists were puzzled by the fact that no "spokes" in Saturn's ring were visible. These dark structures in the "B" section of the ring had been discovered in pictures taken by the Voyager probe in 1981. (See JPL Press Release Image)

Passering av Phoebe

On June 11, 2004, Cassini flew by the moon Phoebe. This was the first opportunity for close-up studies of this moon since the Voyager 2 flyby. It also was Cassini's only possible flyby for Phoebe due to the mechanics of the available orbits around Saturn.

Saturns måne Phoebe fotografert av Cassini ved passering i juni 2004 (foto: NASA)

First close up images were received on June 12, and mission scientists immediately realized that the surface of Phoebe looks different from other asteroids visited by spacecraft. Parts of the heavily cratered surfaces look very bright in those pictures, and it is currently believed that a large amount of water ice exists under its immediate surface.

Saturn rotasjon

In an announcement on June 28 Cassini scientists described the measurement of the rotational period of Saturn. Since there are no fixed features on the surface that can be used to obtain this period, the repetition of radio emissions was used. This new data agrees with the latest values measured from Earth, and constitute a puzzle to the scientists. It turns out that the radio rotational period has changed since the it was first measured in 1980 by Voyager, and that it is now 6 minutes longer.

(markert tekst trenger oversettelse)

I kretsløp omkring Saturn

1. juli, 2004 fløy Cassini-Huygens igjenom Saturns ringer og gikk i bane rundt planeten, etter en syv år lang ferd. Det er det første romfartøyet noensinne som har gått i bane rundt Saturn. The Saturn Orbital Insertion (SOI) maneuver performed by Cassini was notably complex, requiring the craft to orient its High-Gain Antenna away from Earth and along its flight path, in order to shield its instruments from particles in Saturn's rings. Once the craft crossed the ring plane, it then had to rotate again so that its engine was pointed along its flight path, and then the engine fired to decelerate the craft and allow Saturn to capture it. Cassini was captured by Saturn's gravity at around 8:54 PM Pacific Daylight Time on June 30th. During the maneuver Cassini passed within 20,000 km (12,400 miles) of Saturn's cloud tops.

Oppdagelsen av to nye måner

16. August 2004 kunngjorde NASA Cassinis oppdagelse av to nye måner i bane omkring Saturn. De to månene har foreløpig fått navnene S/2004 S1 og S/2004 S2. Månene kretser rundt Saturn i en avstand av henholdsvis 194.000 og 211.000 km fra Saturn, og med diametere på henholdsvis 3 og 4 km, er dette de to minste av de til nå 33 kjente månene til Saturn. Det var den franske professoren Sebastien Charnoz som først oppdaget månene.

Bane

Kart over Cassini-Huygens bane på vei mot Saturn.

Fil:Cassini Tour (hypothetical).jpg

Diagram over de forskjellige omløpsbaner som sonden bruker runt Saturn.

Cassinis hastighet i retning fra solen under hele reisen fra 1998.

Den grafiske fremstillingen ovenfor er utarbeidet av JPL's HORIZONS System, og viser fartøyets hastighet i forhold til solen fra 15. oktober 1997 16:00:01 UT (1997-Oct-15 16:01:04.184 TT) til 8. august 2008 16:00:00 UT (2008-Aug-08 16:01:04.184 TT) i SCET.

Eksterne lenker

• Cassinioppragets hjemmeside av Jet Propulsion Laboratory
• Cassini bildeside
• Cassini informasjon av National Space Science Data Center (NSSDC).
• ESA Huygens hjemmeside om selve sonden.
• Cassini's Tour de Saturn del A, B, C, D, E, F - beskrivelse av den fire år lange turen til Saturn av Bruce Moomaw
• Countdown to Cancel the Cassini Space Probe - artikkel om den kontroversielle plutoniumsmotoren.