Att studera Van Allens strålningsbälten (illustrerad här) är det vetenskapliga målet för en nyligen tilldelad GTOSat, som kommer att använda en mer kapabel 6U CubeSat-buss, Dellingr-X. Kredit:NASA
GTOSat – kommer inte bara att tillhandahålla viktiga observationer av de miljömässigt förbjudande strålningsbälten som omger jorden, det kommer att ge de första stegen i en ny teknisk vision.
Detta uppdrag av första kommer att fungera som en sökväg för ny strålningstolerant teknik som kan hjälpa forskare att förverkliga en länge eftersökt dröm:att distribuera en konstellation av små satelliter bortom låg omloppsbana om jorden för att samla samtidigt, flerpunktsmätningar av jordens ständigt föränderliga magnetosfär, som skyddar planeten från det ständiga anfallet av laddade partiklar som strömmar från solen.
Vidare, det kommer att vara den första CubeSat som fungerar i geostationär överföringsbana, eller GTO—från vilken den har fått sitt namn—och den första att använda den senaste, mer robust version av den NASA-utvecklade Dellingr rymdfarkostbussen - Dellingr-X.
NASA HTIDES Awards GTOSat och andra
"Tredje gången är en charm, sa Larry Kepko, en forskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. Han hade tidigare försökt att säkra finansiering under myndighetens Heliophysics Technology and Instrument Development for Science, eller HTIDES, program för att bygga och starta uppdraget. Förutom GTOSat, HTIDES-programmet beviljade finansiering till fyra andra CubeSat-uppdrag, 13 sonderingsraket- och ballongundersökningar, och 12 instrumentutvecklingsinsatser.
Förväntas lanseras i början av 2021, GTOSat på 4,5 miljoner dollar kommer att samla in mätningar från en mycket elliptisk jordbana som är en standard överföringsbana för kommunikationssatelliter som arbetar i geostationär bana omkring 22, 000 miles från jorden. Från den platsen, GTOSat kommer att använda sina två instrument ombord för att mäta högenergipartiklar som sannolikt kommer från solvind och kosmisk strålning.
Dessa partiklar svänger, studsa, och driver genom två koncentriska, munkformade ringar som kallas Van Allen-bälten, ibland skjuter man ner till jordens atmosfär eller flyr ut i rymden. Uppkallad efter James Van Allen, deras upptäckare, dessa strålningsbälten är belägna i den inre delen av jordens magnetiska miljö, magnetosfären. Där sväller de och krymper med tiden som en del av ett mycket större rymdvädersystem som kan störa satelliter och GPS-kommunikation, hotar hälsan och säkerheten för astronauter som arbetar i låg omloppsbana om jorden, eller till och med – när det är extremt – stör elnätet.
"Dessa energiska partiklar kan skada rymdfarkoster och utgöra betydande risker för astronauternas hälsa, " sa GTOSat:s huvudutredare Lauren Blum, en Goddard-forskare som lämnade in det vinnande förslaget. "Denna region i rymden är inte bara vetenskapligt intressant. Den påverkar oss direkt här på jorden."
För närvarande, NASA:s Van Allen Probes, det andra uppdraget av NASA:s Living With a Star-program, ger oöverträffad insikt i strålningsbältens fysiska dynamik. Dock, de två sonderna, som lanserades 2012, har slut på bränsle och förväntas gå i pension om ett par år. GTOSat kommer att tillhandahålla nya data efter Van Allen Probes-uppdraget är över, sa Blum.
Forskaren Lauren Blum och hennes team, som visas med mer robust kommando- och datahantering och elektriska kraftsystem, har vunnit ett nytt CubeSat-uppdrag som kommer att studera Van Allens strålningsbälten. Från vänster till höger (bak):Larry Kepko, Hanson Nguyen, Chuck Clagett; (fram):Blum och James Fraction. Kredit:NASA:s Goddard Space Flight Center/Bill Hrybyk
Dellingr-X erbjuder lösning
För att fortsätta samla in mått på Van Allen-bältena, dock, GTOSat-teamet behövde försäkra sig om att rymdfarkostbussen och dess instrument kunde motstå den fientliga miljön som är större, mer traditionella rymdfarkoster – som Van Allen-sonderna – är byggda för att tolerera. Ett framgångsrikt CubeSat-uppdrag krävde att dess hårdvara och mjukvara var förberedd för att tolerera angrepp av laddade partiklar, som kan förstöra elektronik och i slutändan avsluta uppdrag, Blum sa, och tillägger att de flesta CubeSat-uppdragen hittills fungerar långt under Van Allens höjder.
Rymdfarkosten Dellingr-X erbjöd den perfekta lösningen.
En uppföljning till den ursprungliga Dellingr i skokartong som konstruerats speciellt för att vara billigare, mer pålitlig än de flesta CubeSat-rymdfarkoster, och kan utföra vetenskap av NASA-klass, Dellingr-X lägger till en ny nivå av kapacitet.
Dellingr-X:s alla viktiga kommando- och datahanterings- och elkraftsystem kommer att vara strålningstoleranta; med andra ord, they will be able to withstand high-energy particle hits that sometimes cause electronic systems to latch-up and draw too much current.
Both technologies were developed under the Goddard Modular SmallSat Architecture, or GMSA, program, which the center initiated to create overarching system designs and technologies to dramatically reduce mission risks without significantly increasing the cost of smaller platforms.
Future Missions to Benefit
Enabling GTOSat isn't the only benefit of these new GMSA technologies, Kepko said.
NASA is studying a couple constellation-type missions that might employ as many as 36 SmallSats—spacecraft larger than CubeSats but smaller and less expensive than more traditional satellites—in multiple locations within the magnetosphere that encompasses the Van Allen belts. Dellingr spacecraft wouldn't be appropriate for these types of missions due to their small size, but a GMSA-based SmallSat weighing between 110-220 pounds would be, han sa.
As a pathfinding mission, the relatively inexpensive GTOSat will demonstrate these new technologies and give them flight heritage, han lade till. "This paves the way and opens the door to eventually flying multiple satellites in a SmallSat constellation beyond low-Earth orbit—something I've waited my entire career to happen but hasn't because it's prohibitively expensive to build and fly multiple, more traditional spacecraft."
