Marinero 4 - Mariner 4

El Mariner 4 (junto con el Mariner 3 conocido como Mariner-Mars 1964 ) fue el cuarto de una serie de naves espaciales destinadas a la exploración planetaria en modo de sobrevuelo. Fue diseñado para realizar observaciones científicas de primer plano de Marte y transmitir estas observaciones a la Tierra . Lanzado el 28 de noviembre de 1964, el Mariner 4 realizó el primer sobrevuelo exitoso del planeta Marte , devolviendo las primeras fotografías en primer plano de la superficie marciana. Capturó las primeras imágenes de otro planeta jamás regresado del espacio profundo ; su descripción de un planeta muerto lleno de cráteres cambió en gran medida la visión de la comunidad científica sobre la vida en Marte . Otros objetivos de la misión eran realizar mediciones de campo y partículas en el espacio interplanetario en las proximidades de Marte y proporcionar experiencia y conocimiento de las capacidades de ingeniería para vuelos interplanetarios de larga duración. El 21 de diciembre de 1967, se interrumpieron las comunicaciones con Mariner 4.

Naves espaciales y subsistemas

La nave espacial Mariner 4 constaba de un marco de magnesio octogonal , 127 cm (50 pulgadas) en diagonal y 45,7 cm (18,0 pulgadas) de alto. Se colocaron cuatro paneles solares en la parte superior del marco con un tramo de extremo a extremo de 6,88 metros (22,6 pies), incluidas las paletas de presión solar que se extendían desde los extremos. También se montó una antena parabólica elíptica de alta ganancia de 104,1 cm x 66,0 cm (41,0 pulgadas x 26,0 pulgadas) en la parte superior del marco. Se montó una antena omnidireccional de baja ganancia en un mástil de 223,5 cm (7 pies 4,0 pulgadas) de altura junto a la antena de alta ganancia. La altura total de la nave espacial fue de 2,89 metros (9,5 pies). El marco octogonal albergaba el equipo electrónico, el cableado, el sistema de propulsión a mitad de camino y los reguladores y suministros de gas de control de actitud.

Los instrumentos científicos incluyeron:

• Un magnetómetro de helio , montado en la guía de ondas que conduce a la antena omnidireccional, para medir la magnitud y otras características de los campos magnéticos interplanetarios y planetarios.
• Una cámara de ionización / contador Geiger , montado en la guía de ondas que conduce a la antena omnidireccional más cercana al cuerpo de la nave espacial, para medir la intensidad y distribución de las partículas cargadas en el espacio interplanetario y en las proximidades de Marte.
• Un detector de radiación atrapada , montado en el cuerpo con contraejes que apuntan a 70 ° y 135 ° de la dirección solar, para medir la intensidad y la dirección de las partículas de baja energía.
• Un telescopio de rayos cósmicos , montado dentro del cuerpo apuntando en dirección antisolar, para medir la dirección y el espectro de energía de los protones y las partículas alfa .
• Una sonda de plasma solar , montada en el cuerpo apuntando a 10 ° de la dirección solar, para medir el flujo de partículas cargadas de muy baja energía del Sol .
• Un detector de polvo cósmico , montado en el cuerpo con placa de micrófono aproximadamente perpendicular al plano de la órbita , para medir el momento , distribución, densidad y dirección del polvo cósmico.
• Una cámara de televisión , montada en una plataforma de exploración en la parte inferior central de la nave espacial, para obtener fotografías de primer plano de la superficie de Marte. Este subsistema constaba de 4 partes, un telescopio Cassegrain con un campo de visión de 1,05 ° por 1,05 °, un obturador y un conjunto de filtro rojo / verde con tiempos de exposición de 0,08 y 0,20 segundos, un tubo vidicón de escaneo lento que traducía la imagen óptica en un señal de vídeo y los sistemas electrónicos necesarios para convertir la señal analógica en un flujo de bits digital para su transmisión.

Mariner 4 se prepara para una prueba de peso el 1 de noviembre de 1963

La energía eléctrica para los instrumentos y el transmisor de radio del Mariner 4 fue suministrada por 28,224 células solares contenidas en los cuatro paneles solares de 176 cm × 90 cm (69 pulgadas × 35 pulgadas), que podrían proporcionar 310 vatios a la distancia de Marte. También se utilizó una batería de plata-zinc recargable de 1200 W · h para maniobras y respaldo. Se utilizó hidracina monopropelente para la propulsión , a través de un motor de control vectorial de paletas de cuatro chorros, con un empuje de 222 newton (50  lbf ), instalado en uno de los lados de la estructura octagonal. El control de actitud de la sonda espacial fue proporcionado por 12 chorros de gas nitrógeno frío montados en los extremos de los paneles solares y tres giroscopios . Las paletas de presión solar, cada una con un área de 0,65 m ² (7,0 pies cuadrados), se unieron a las puntas de los paneles solares. La información de posición fue proporcionada por cuatro sensores solares y un sensor para la Tierra, Marte o la estrella Canopus , dependiendo del tiempo en su vuelo espacial. Mariner 4 fue la primera sonda espacial que necesitaba una estrella para un objeto de referencia de navegación, ya que las misiones anteriores, que permanecieron cerca de la Tierra, la Luna o el planeta Venus , habían avistado la cara brillante del planeta de origen o la brillante objetivo iluminado. Durante este vuelo, tanto la Tierra como Marte estarían demasiado oscuros para fijarlos. Se necesitaba otra fuente brillante en un ángulo amplio lejos del Sol y Canopus cumplió con este requisito. Posteriormente, Canopus se utilizó como punto de referencia en muchas misiones posteriores.

El equipo de telecomunicaciones del Mariner 4 constaba de transmisores de banda S duales (con un amplificador de cavidad de triodo de siete vatios o un amplificador de tubo de onda viajera de diez vatios ) y un solo receptor de radio que, en conjunto, podían enviar y recibir datos a través de los canales de baja y baja frecuencia. antenas de alta ganancia a 8⅓ o 33⅓ bits por segundo. Los datos también podrían almacenarse en una grabadora de cinta magnética con una capacidad de 5,24 millones de bits para su posterior transmisión. Todas las operaciones electrónicas estaban controladas por un subsistema de comando que podía procesar cualquiera de las 29 palabras de comando directo o tres comandos de palabra cuantitativa para maniobras de mitad de curso. La computadora central y el secuenciador operaban comandos de secuencia de tiempo almacenados usando una frecuencia de sincronización de 38,4 kHz como referencia de tiempo. El control de la temperatura se logró mediante el uso de persianas ajustables montadas en seis de los conjuntos electrónicos, además de mantas aislantes multicapa, protectores de aluminio pulido y tratamientos de superficie. Otras medidas que se podrían realizar incluyeron:

• Ocultación de radio
• Mecánica celeste basada en seguimiento de precisión

Perfil de la misión

Lanzamiento de Mariner 4

Lanzamiento

Después de que el Mariner 3 fue una pérdida total debido a la falla de la cubierta de carga útil para desecharla, los ingenieros de JPL sugirieron que había habido un mal funcionamiento causado durante la separación del exterior del carenado metálico del revestimiento interior de fibra de vidrio debido a las diferencias de presión entre la parte interior y exterior de la cubierta y que esto podría haber causado que el mecanismo de separación accionado por resorte se enrede y no se desprenda correctamente.

Las pruebas en JPL confirmaron este modo de falla y se hizo un esfuerzo para desarrollar un nuevo carenado totalmente metálico. La desventaja de esto era que el nuevo carenado sería significativamente más pesado y reduciría la capacidad de elevación del Atlas-Agena. Convair y Lockheed-Martin tuvieron que realizar varias mejoras de rendimiento en el amplificador para sacarle más potencia. A pesar de los temores de que el trabajo no pudiera completarse antes de que se cerrara la ventana de Marte de 1964, el nuevo sudario estaba listo en noviembre.

Después del lanzamiento desde el Complejo de Lanzamiento de la Estación de la Fuerza Aérea de Cabo Cañaveral 12 , la cubierta protectora que cubría al Mariner 4 se desechó y la combinación Agena-D / Mariner 4 se separó del propulsor Atlas-D a las 14:27:23 UTC del 28 de noviembre de 1964. El La primera quemadura de Agena tuvo lugar de 14:28:14 a 14:30:38. La combustión inicial puso la nave espacial en una órbita de estacionamiento de la Tierra y la segunda combustión de 15:02:53 a 15:04:28 inyectó la nave en una órbita de transferencia de Marte. El Mariner 4 se separó del Agena a las 15:07:09 y comenzó las operaciones en modo crucero. Los paneles solares se desplegaron y la plataforma de escaneo se abrió a las 15:15:00. La adquisición del sol se produjo 16 minutos después.

Bloquear Canopus

Después de la adquisición de Sun, el rastreador de estrellas Canopus fue a buscar a Canopus . El rastreador de estrellas estaba configurado para responder a cualquier objeto más de un octavo y menos de ocho veces más brillante que Canopus. Incluyendo Canopus, había siete objetos de este tipo visibles para el sensor. Tomó más de un día de "saltos de estrellas" para encontrar Canopus, ya que el sensor se fijó en otras estrellas en su lugar: un patrón de luz parásita de la Tierra cercana, Alderamin , Regulus , Naos y Gamma Velorum se adquirieron antes que Canopus.

Un problema constante que asedió a la nave espacial durante la primera parte de su misión fue que los transitorios de la señal de error de balance se producirían con frecuencia y, en ocasiones, provocarían la pérdida del bloqueo estelar Canopus. El primer intento de una maniobra a mitad de camino fue abortado por una pérdida de bloqueo poco después de que los giroscopios comenzaran a girar. La cerradura Canopus se perdió seis veces en un período de menos de tres semanas después del lanzamiento y cada vez se necesitaría una secuencia de comandos de radio para volver a adquirir la estrella. Después de un estudio del problema, los investigadores concluyeron que el comportamiento se debía a pequeñas partículas de polvo que se estaban liberando de la nave espacial por algún medio y se desplazaban a través del campo de visión del sensor de estrellas. La luz solar dispersada por las partículas apareció entonces como una iluminación equivalente a la de una estrella brillante. Esto causaría un error de balanceo transitorio cuando el objeto pasara por el campo de visión mientras el sensor estaba bloqueado en Canopus. Cuando el objeto era lo suficientemente brillante como para exceder los límites de la puerta alta a ocho veces la intensidad de Canopus, la nave espacial automáticamente desconectaba a Canopus e iniciaba una búsqueda de una nueva estrella. Finalmente, se envió un comando de radio el 17 de diciembre de 1964, que eliminó el límite superior de la puerta. No hubo más pérdida de bloqueo Canopus, aunque se produjeron transitorios de balanceo 38 veces más antes del encuentro con Marte.

Maniobra de mitad de curso

El vuelo de siete meses y medio del Mariner 4 involucró una maniobra a mitad de curso el 5 de diciembre de 1964. La maniobra estaba inicialmente programada para el 4 de diciembre, pero debido a una pérdida de bloqueo con Canopus, se pospuso. La maniobra se completó con éxito el 5 de diciembre; consistió en un giro de cabeceo negativo de 39,16 grados, un giro de balanceo positivo de 156,08 grados y un tiempo de empuje de 20,07 segundos. Los giros dirigieron el motor de la nave espacial hacia atrás en la dirección general de la Tierra, ya que el motor inicialmente apuntaba a lo largo de la dirección de vuelo. Tanto los cambios de cabeceo como de balanceo se completaron con una precisión superior al 1% , el cambio de velocidad con aproximadamente un 2,5% de precisión. Después de la maniobra, el Mariner 4 estaba en camino a Marte como estaba planeado.

Velocidad de transmisión de datos reducida

El 5 de enero de 1965, 36 días después del lanzamiento y a 10,261,173 km (6,375,997 mi) de la Tierra, el Mariner 4 redujo su tasa de transmisión de datos científicos de 33 1/3 a 8 1/2 bits por segundo. Esta fue la primera acción autónoma que tomó la nave espacial desde la maniobra de mitad de curso.

Sobrevuelo de Marte

La nave espacial Mariner 4 sobrevoló Marte el 14 y 15 de julio de 1965. Su aproximación más cercana fue a 9,846 km (6,118 millas) de la superficie marciana a las 01:00:57 UT del 15 de julio de 1965 (8:00:57 pm EST 14 de julio ), su distancia a la Tierra era de 216 millones de kilómetros (134 millones de millas), su velocidad era de 7 km / s (4,3 mi / s) en relación con Marte, 1,7 km / s (1,1 mi / s) en relación con la Tierra.

El modo de ciencia planetaria se activó a las 15:41:49 UT del 14 de julio. La secuencia de la cámara comenzó a las 00:18:36 UT del 15 de julio (7:18:49 pm EST el 14 de julio) y 21 imágenes con rojo y rojo alternativo. Se tomaron filtros verdes, más 21 líneas de una foto número 22. Las imágenes cubrieron una franja discontinua de Marte comenzando cerca de 40 ° N, 170 ° E, hasta aproximadamente 35 ° S, 200 ° E, y luego a través del terminador a 50 ° S, 255 ° E, lo que representa aproximadamente el 1% de la superficie del planeta. Las imágenes tomadas durante el sobrevuelo se almacenaron en la grabadora de a bordo. A las 02:19:11 UT, el Mariner 4 pasó detrás de Marte visto desde la Tierra y la señal de radio cesó. La señal fue readquirida a las 03:13:04 UT cuando reapareció la nave espacial. A continuación, se restableció el modo de crucero. La transmisión de las imágenes grabadas a la Tierra comenzó aproximadamente 8,5 horas después de la readquisición de la señal y continuó hasta el 3 de agosto. Todas las imágenes se transmitieron dos veces para garantizar que no faltaran datos ni estuvieran corruptos. Cada fotografía individual tardó aproximadamente seis horas en transmitirse a la Tierra.

La nave espacial realizó todas las actividades programadas con éxito y devolvió datos útiles desde el lanzamiento hasta las 22:05:07 UT del 1 de octubre de 1965, cuando la larga distancia a la Tierra (309,2 millones de kilómetros (192,1 millones de millas)) y la orientación imprecisa de la antena condujeron a una pérdida temporal de comunicación con la nave espacial hasta 1967.

Primera imagen dibujada a mano

Grabadora Mariner 4

La grabadora de a bordo utilizada en el Mariner 4 era de repuesto, no originalmente pensada para el vuelo del Mariner 4. Entre la falla del Mariner 3, el hecho de que la grabadora Mariner 4 era de repuesto y algunas lecturas de error que sugerían un problema con la grabadora, se determinó que el equipo probaría definitivamente la función de la cámara. Esto finalmente llevó a que se dibujara a mano la primera imagen digital. Mientras esperaba que los datos de la imagen fueran procesados ​​por computadora, el equipo usó un juego de pasteles de una tienda de suministros de arte para colorear a mano (estilo pintura por números) una impresión numérica de los píxeles sin procesar. La imagen resultante proporcionó una verificación temprana de que la cámara estaba funcionando. La imagen dibujada a mano se comparó favorablemente con la imagen procesada cuando estuvo disponible.

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  La primera imagen digital de Marte coloreada a mano como una imagen pintada por números.

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  Primera imagen digital procesada de Marte

Impactos de micrometeoroides y fin de las comunicaciones

La adquisición de datos se reanudó a finales de 1967. El detector de polvo cósmico registró 17 impactos en un lapso de 15 minutos el 15 de septiembre, parte de una aparente lluvia de micrometeoroides que cambió temporalmente la actitud de la nave espacial y probablemente dañó levemente su escudo térmico. Más tarde se especuló que el Mariner 4 atravesó escombros de D / 1895 Q1 (D / Swift), e incluso hizo un sobrevuelo del núcleo posiblemente destrozado de ese cometa a 20 millones de kilómetros (12 millones de millas).

El 7 de diciembre se agotó el suministro de gas en el sistema de control de actitud, y entre el 10 y el 11 de diciembre se registraron un total de 83 impactos de micrometeoroides que provocaron perturbaciones en la actitud de la nave espacial y degradación de la intensidad de la señal. El 21 de diciembre de 1967, se interrumpieron las comunicaciones con Mariner 4. La nave espacial ahora está abandonada en una órbita heliocéntrica exterior .

Resultados

Jack N. James (centro), Gerente de Proyecto Mariner 4 del JPL, con un grupo en la Casa Blanca presentando la famosa imagen de Marte de la nave espacial Número 11 al presidente de los Estados Unidos Lyndon B. Johnson (centro derecha) en julio de 1965.

El total de datos devueltos por la misión fue de 5,2 millones de bits (alrededor de 634 kB ). Todos los instrumentos funcionaron con éxito con la excepción de una parte de la cámara de ionización, a saber, el tubo Geiger-Müller , que falló en febrero de 1965. Además, la sonda de plasma tuvo su rendimiento degradado por una falla en la resistencia el 8 de diciembre de 1964, pero los experimentadores pudieron recalibrar el instrumento y aún interpretar los datos. Las imágenes obtenidas mostraban un terreno lleno de cráteres similar a la Luna , algo que los científicos no esperaban, aunque el astrónomo aficionado Donald Cyr había predicho cráteres. Misiones posteriores mostraron que los cráteres no eran típicos de Marte, sino solo de la región más antigua fotografiada por Mariner 4. Una presión atmosférica en la superficie de 4.1 a 7.0 milibares (410 a 700 Pa) y temperaturas diurnas de -100 ° C (-148 ° F) fueron estimados. No se detectó ningún campo magnético o cinturones de radiación marcianos o, de nuevo sorprendentemente, agua superficial.

Bruce C. Murray utilizó fotografías de Mariner 4 para dilucidar la historia geológica de Marte.

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  La primera imagen digital de Marte

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  La primera imagen de primer plano jamás tomada de Marte. Muestra un área de aproximadamente 330 km (210 millas) de ancho por 1.200 km (750 millas) desde la extremidad hasta la parte inferior del marco.

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  La imagen más clara del Mariner 4 que muestra cráteres

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  Mosaico de los fotogramas 1 y 2. La atmósfera marciana es visible sobre la extremidad del planeta.

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  Mosaico de marcos 9 y 10

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  Mosaico de marcos 11 y 12

Imágenes de cráteres y mediciones de una atmósfera delgada , mucho más delgada de lo esperado, que indicaban un planeta relativamente inactivo expuesto a la dureza del espacio, generalmente disiparon las esperanzas de encontrar vida inteligente en Marte . La vida en Marte había sido objeto de especulación y ciencia ficción durante siglos. Si había vida en Marte, después de que Mariner 4 concluyera que probablemente serían formas más pequeñas y simples. Otros concluyeron que una búsqueda de vida en la Tierra a una resolución de kilómetros, utilizando varios miles de fotografías, no reveló un signo de vida en la gran mayoría de estas fotografías; por lo tanto, basándose en las 22 fotografías tomadas por Mariner 4, no se puede concluir que no haya vida inteligente en Marte. Se midió el viento solar y se comparó con los registros simultáneos del Mariner 5 que se dirigió a Venus .

El costo total de la misión Mariner 4 se estima en $ 83,2 millones (equivalente a $ 683 millones en 2020). Los costos totales de investigación, desarrollo, lanzamiento y soporte para la serie de naves espaciales Mariner (Marineros 1 a 10) fueron de aproximadamente $ 554 millones (equivalente a $ 4.550 millones en 2020).

Ver también

• Exploración de Marte
• Lista de misiones a Marte
• Mariner (cráter)
• Exploración espacial
• Sonda espacial
• REX ( New Horizons ) (Ocultación de radio para datos de la atmósfera en Plutón en 2015, en la nave espacial New Horizons )

Referencias

enlaces externos

• Perfil de la misión Mariner 4 por la exploración del sistema solar de la NASA
• Plan de operaciones de vuelo espacial Mariner Mars '64 (PDF)
• Imágenes procesadas y mosaicos de la misión Mariner 4 a Marte
• Mariner 4 de Ted Stryk
• Mariner 4 fotos