Sonda CAPSTONE agencji NASA weszła na orbitę NRHO wokół Księżyca. CAPSTONE to rozpoznawcza misja agencji przed załogowymi lotami programu Artemis i budową stacji Gateway.
Śledzimy obecnie pierwszy lot programu Artemis. Misja Artemis 1 wystartowała 16 listopada 2022 r. Wysłany przez rakietę statek Orion 21 listopada wszedł na wstępną orbitę wokół Księżyca. Nie można jednak zapomnieć o misji niewielkiego zwiadowcy CAPSTONE, który został wystrzelony w kierunku naszego naturalnego satelity w czerwcu 2022 r.
Można powiedzieć, że CAPSTONE jest pierwszą oficjalną misją kosmiczną wykonywaną w ramach programu Artemis. W jej ramach firma Terran Orbital Corporation zbudowała dla agencji NASA niewielkiego satelitę standardu Cubesat 12U (34 cm x 34 cm x 64 cm) o masie około 25 kg.
CAPSTONE ma za zadanie przetestować technologię nawigacji i komunikacji na orbicie NRHO wokół Księżyca. NRHO to specjalny rodzaj orbity o wysokiej ekkscentryczności, okresie obiegu wynoszącym 1 tydzień i wymiarach 1000 km x 70 000 km. Na podobnej orbicie ma znaleźć się jeszcze w tej dekadzie załogowa stacja kosmiczna Gateway, z której załogi będą latać na powierzchnię Księżyca.
Trudne początki
Sonda CAPSTONE została wyniesiona w stronę Księżyca przez rakietę Electron 28 czerwca 2022 r. Lot rakiety był prawidłowy i później dodatkowy stopień Photon Lunar użył swojego napędu 7 razy aby osiągnąć docelową trajektorię balistyczną do Księżyca.
Lot na docelową orbitę trwał długo, bo aż 4 miesiące. Dzięki jednak tej specyficznej trajektorii można było oszczędzić dużo paliwa i wykorzystać do startu niewielką rakietę nośną.
Już na samym początku samodzielnego lotu, pojawiły się problemy z satelitą. CAPSTONE działał, wykonał aktywację, ale szybko utracono z sondą kontakt. Okazało się, że przyczyną problemu było wysłanie błędnych komend, które zepsuły działanie anteny. Z problemem jednak uporano się w 2 dni. Początkowa utrata kontaktu spowodowała, że trzeba było opóźnić wykonanie pierwszych manewrów korekcji trajektorii. Te zostały w końcu wykonane 7 i 12 lipca.
Po manewrach korekcyjnych TCM-1 i TCM-1c, przyszedł pod koniec lipca czas na kolejny manewr TCM-2. 25 lipca wykonano serię dwóch odpaleń, z celowym odstępem między nimi, pozwalającym na ustalenie położenia i ocenę dokładności. W momencie tej operacji sonda znajdowała się już bardzo daleko od Ziemi, ponad 1 250 000 km!
Trajektoria sondy CAPSTONE z zaznaczonym miejscem wykonania manewru korekcji trajektorii TCM-2. Źródło: NASA.
Największą odległość od naszej planety, apogeum swojej orbity sonda uzyskała 26 sierpnia 2022 r. Znalazła się wtedy ponad 1,5 mln km od Ziemi. Od tego momentu zaczął się jej balistyczny powrót w stronę układu Ziemia - Księżyc, który ostatecznie miał się zakończyć wejściem na orbitę wokół Księżyca.
Na 8 września zaplanowano manewr korekcyjny TCM-3. Wprowadził on sondę w kłopoty…
Niekontrolowany obrót
8 września kontrolerzy misji przeprowadzili kolejny manewr korekcji trajektorii. Niestety pod koniec odpalenia napędu sonda weszła w nagły niekontrolowany obrót, który nie mógł być wygaszony przez koła reakcyjne znajdujące się na sondzie.
W momencie wejścia w niekontrolowany obrót na dobę utracono całkowicie kontakt ze statkiem. Mimo jego prób kontaktu z Ziemią dopiero po 24 godzinach udało się pozyskać pierwszą telemetrię. Obraz nie napawał optymizmem. Nanosatelita nie znajdował się w stabilnej pozycji, przez obrót nie miał pozytywnego bilansu energetycznego (systemy sondy pobierały więcej prądu niż były w stanie dostarczyć panele słoneczne), a komputer pokładowy okresowo resetował się.
Jedyną pozytywną rzeczą był fakt, że przed utratą kontroli manewr TCM-3 musiał być w pełni wykonany, bo statek pozostawał na prawidłowej trajektorii i wykonał zakładaną korekcję.
Zespołowi misji udało się wprowadzić sondę poprzez aktualizację oprogramowania w bardziej stabilną energetycznie konfigurację. Budżet energetyczny na najbliższy czas stał się dodatni, co pozwoliło z większym spokojem podejść do przygotowywania planu naprawczego.
Priorytetem wtedy była poprawa warunków termicznych niektórych podsystemów, w tym podsystemu napędowego (ogrzewanie ich zostało częściowo zaprzestane w wyniku anomalii). Kontynuowano diagnozę by ustalić przyczynę anomalii i opracowywano plan wyprowadzenia sondy z niekontrolowanego obrotu.
Przez kolejne dni sytuacja nieco się poprawiła. Pierwsze wprowadzone poprawki sprawiły, że komunikacja z sondą stała się łatwiejsza, a zwiększony budżet energetyczny umożliwił czasowe podgrzewanie podsystemów, w tym systemu napędowego, który był schłodzony poniżej bezpiecznej granicy.
Wizja artystyczna sondy CAPSTONE krążącej na docelowej orbicie. Widoczny wschód Słońca nad Księżycem. Źródło: NASA/Daniel Rutter.
Udana operacja ratunkowa
Przez cały wrzesień badano przyczynę anomalii, przywrócono system napędowy do operacyjnych temperatur, wykonywano symulacje stanu sondy, by opracować plan wyjścia z niekontrolowanego obrotu. Udało się w końcu ustalić, że przyczyną problemów był nie zamykający się do końca zawór w jednym z 8 silniczków sondy. To sprawiało, że podczas wprowadzania ciśnienia operacyjnego do systemu napędowego, jeden z silników działał cały czas, doprowadzając do wejścia w niekontrolowany obrót.
7 października 2022 r. wykonano specjalnie opracowaną procedurę wyjścia z niekontrolowanego obrotu. Operacja się powiodła. Statek odzyskał trójosiową stabilizację, zwrócił się panelami w stronę Słońca i anteną do ściągania danych w stronę Ziemi. Inżynierowie mogli skupić się na przywróceniu sondy do normalnych operacji i przygotowaniu jej na kolejne manewry korekcyjne, a potem wejście na orbitę Księżyca. Pozostawało jeszcze opracować plan użycia napędu przy wiedzy o jednym otwartym zaworze, albo spróbować go w jakiś sposób zamknąć.
31 października wykonano pierwszy po anomalii manewr korekcji trajektorii. Napęd działał zgodnie z planem. W końcówce października wykonano też testy odbioru sygnału przez amerykański orbiter księżycowy LRO. LRO odebrał sygnał nadany przez anteny naziemne systemu Deep Space Network. Anteny nadawały sygnał podobny do tego, który będzie wysyłany przez statek CAPSTONE, do testów systemu CAPS – autonomicznej nawigacji.
Wejście na orbitę
Wreszcie 13 listopada 2022 r., zgodnie z pierwotnym planem sonda CAPSTONE wykonała udane wejście na wstępną orbitę NRHO wokół Księżyca. Uruchomienie napędu trwało niecałe 16 minut i zakończyło się powodzeniem!
CAPSTONE stał się pierwszym nanosatelitą, który wszedł na orbitę wokół Księżyca. Teraz przed zespołem faza testów, zanim statek zacznie wykonywać zadania, do których został przeznaczony. W pierwszym tygodniu od wejścia na orbitę sonda miała wykonać jeszcze dwa niewielkie manewry korekcyjne, by ostatecznie ustalić docelową orbitę.
Wizualizacja orbity NRHO sondy CAPSTONE. Punkt odniesienia obracający się wraz z Księżycem. Widok z przodu. Źródło: praca własna Phoenix7777/Horizons/JPL/NASA.
Potem zacznie się badawcza faza misji. Sonda CAPSTONE przetestuje możliwości orbity, która będzie potem wykorzystana przez stację Gateway. Zostanie oceniona dojrzałość technologiczna rozwiązań, które mają być wykorzystane w przyszłych lotach programu Artemis.
Na statku zamontowano zestaw telekomunikacyjny pasma radiowego S do pomiaru odległości od orbitera LRO (Lunar Reconnaissance Orbiter). To ma pozwolić na autonomiczną nawigację bez udziału stacji naziemnych. Oprócz nawigacji na satelicie znajdują się też urządzenia komunikacji pasma X do kontaktu z Ziemią i weryfikacji pozycji przy użyciu anten naziemnych.
Oprócz sprawdzenia ładunku telekomunikacyjnego inżynierowie mają nadzieję zweryfikować cechy orbity NRHO, sprawdzić w praktyce zużycie paliwa do utrzymania tego typu orbity. Po raz pierwszy przećwiczyli też wejście na tą orbitę. Na satelicie CAPSTONE zamontowano też system obrazujący do wykonywania zdjęć Księżyca i Ziemi.
Misja jest też sprawdzeniem komercyjnego modelu planowania misji, w którym zewnętrzna firma zbudowała w krótkim czasie satelitę i zlecenie jego wysłania powierzono również prywatnej firmie.
Na podstawie: NASA/CAPSTONE
Opracował: Rafał Grabiański
Na zdjęciu tytułowym: Wizja artystyczna sondy CAPSTONE nad Biegunem Północnym Księżyca. Źródło: NASA/Daniel Rutter.
