Två tuffa, motståndskraftiga NASA-rymdfarkoster har kretsat runt jorden de senaste sex och ett halvt åren, flyger upprepade gånger genom en farlig zon av laddade partiklar som kallas Van Allens strålningsbälten. Tvillingarna Van Allen Probes har bekräftat vetenskapliga teorier och avslöjat nya strukturer, kompositioner, och processer som fungerar i dessa dynamiska regioner.

I februari, Van Allen Probes uppdragsoperationsteam vid Johns Hopkins Applied Physics Laboratory – där sonderna designades och byggdes – påbörjade en serie nedstigningsmanövrar i omloppsbana som kommer att placera satelliterna för ett eventuellt återinträde i jordens atmosfär om cirka 15 år.

"På den nya höjden, aerodynamiskt motstånd kommer att få ner satelliterna och så småningom bränna upp dem i den övre atmosfären, sa Nelli Mosavi, projektledare för Van Allen Probes på APL. "Vårt uppdrag är att skaffa fantastiska vetenskapliga data och också att säkerställa att vi förhindrar mer rymdskräp så att nästa generationer har möjlighet att utforska rymden också."

Ursprungligen utsett som ett tvåårigt uppdrag eftersom ingen trodde att en rymdfarkost skulle kunna överleva längre i de hårda strålningsbälten som omger jorden, dessa robusta rymdfarkoster har opererat utan incidenter sedan 2012 och fortsätter att möjliggöra banbrytande upptäckter om Van Allens bälten.

"Rymdfarkosten och instrumenten har gett oss otrolig insikt i rymdfarkoster i en miljö med hög strålning, ", sa Mosavi. "Alla på uppdraget känner en verklig känsla av stolthet och prestation över det arbete vi har utfört och den vetenskap vi har tillhandahållit världen – även när vi påbörjar manövrarna i kretsloppet."

En hård miljö

Jordens strålningsbälten består av strömförsörjda partiklar – protoner och elektroner – fångade i en evig bana runt planeten.

"Vi vet att andra planeter i vårt solsystem med magnetfält har strålningsbälten, sa Sasha Ukhorskiy, en projektvetare vid APL. "Vi kan anta att andra kroppar i hela universum också gör det. Genom att studera bälten och fysiken förknippad med dem här på jorden, och använda vår värld som ett naturligt laboratorium, vi kan lära oss om hur dessa strukturer fungerar runt andra objekt i universum med magnetfält."

Det magnetiska fältet som omger jorden skapar en bubbla som kallas magnetosfären, som skyddar planeten från plasmaexplosioner som sänds ut av solen. Men det tjänar också till att fånga upp partiklar och kan så småningom bosätta dessa högenergipartikelpopulationer i strålningsbälten runt jorden.

En komplex kedja av processer inträffar i denna jordnära miljö, agerar som en gigantisk partikelaccelerator och snabbar upp vissa partiklar till nästan ljusets hastighet - mer än 670 miljoner miles i timmen. Dessa starkt strömförsedda partiklar i strålningsbälten kan utgöra ett antal faror för rymdoperationer, eftersom de kan skada känslig elektronik.

Under solstormar, förhållandena förvärras, och bältena kan svälla i storlek, hotar närliggande rymdskepp.

"Vårt magnetfält gör ett ganska bra jobb med att skydda oss från dessa solexplosioner, sa David Sibeck, en uppdragsforskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Men en del av deras energi tränger djupt in i jordens fält och, genom en mängd olika mekanismer, driver upp strålningsbältena. När det händer, rymdfarkoster i bältena borde se upp:problem ligger framför sig i form av kortslutningar, stört datorminne, och instrumentfel."

Van Allen-sonderna designades och byggdes för att vara motståndskraftiga i denna extrema miljö - och till och med deras byggare blev förvånade över deras förmåga att motstå så tuffa förhållanden.

"Under de senaste sex och ett halvt åren, Van Allen-sonderna har genomfört tre hela kretsar runt magnetosfären, och mätte mer än 100 geomagnetiska stormar, ", sa Ukhorskiy. "Van Allen Probes verifierade och kvantifierade tidigare föreslagna teorier, upptäckt nya mekanismer som kan skulptera nära jordens energiska partikelpopulationer, och använde unikt kapabla instrument för att avslöja oväntade funktioner som var nästan osynliga för tidigare sensorer."

Informationen om partiklar och vågor som levereras av Van Allen Probes har visat sig vara en skattkammare för rymdfysikforskning. Fynd och observationer inkluderar flera bältesstrukturer, inklusive ett tredje bälte som observerades kort efter lanseringen; definitiva svar om partikelaccelerationsprocesser; och upptäckten av en nästan ogenomtränglig barriärregion som hindrar de snabbaste och mest energiska elektronerna från att nå jorden.

"Data från Van Allen Probes har lett till mer än 560 artiklar publicerade i peer-reviewed vetenskapstidskrifter sedan lanseringen av uppdraget, ", sa Ukhorskiy. "De flesta av dessa artiklar leds av författare som inte är direkt anslutna till uppdragets vetenskapsteam. Och publiceringstakten har stadigt vuxit sedan uppdragets lansering; var fjärde dag, en ny artikel publiceras i en internationell peer-reviewed tidskrift."

Byggd för att överleva

Sedan deras uppskjutning från Cape Canaveral Air Force Station, Florida, den 30 augusti, 2012, tvillingarna Van Allen Probes har gett forskare en aldrig tidigare skådad titt på smink och processer i bältena. Sonderna – kända som rymdfarkoster A och B – var de första rymdskepp som konstruerades för att tillbringa åratal med att arbeta inom och studera strålningsbälten, en region som de flesta rymdfarkoster undviker på grund av miljöns skaderisker.

"Att designa rymdfarkosten och instrumenten för att motstå en mycket hård strålningsmiljö var den tuffaste utmaningen för Van Allen Probes under design och utveckling, sa Rick Fitzgerald, som tjänstgjorde som uppdragets projektledare på APL från 2007 till 2012. "Strålning kan orsaka skador på elektronik, leder till oregelbundet beteende eller rent misslyckande. Vi minskade risken för misslyckanden genom en rigorös designgranskningsprocess, noggrant urval av elektronikdelar, och omfattande tester av delar och material."

För att skydda rymdfarkosternas känsliga elektronik, teamet lade till sköldar runt instrumenten för att förhindra ansamling av elektriska laddningar. "Alla integrerade kretsar var designade för att överleva i bältena, och rymdfarkosten har ett system för felhantering och autonomi, som mildrar effekterna av miljön genom att återställa elektroniken som svar på enstaka händelseeffekter, " sa APL:s Kristin Fretz, uppdragssystemingenjör från 2013 till 2018.

Designen har klarat utmaningen.

"Vi har haft väldigt få tillfälliga fel eller "störningar" av vår elektronik i omloppsbana, och inga fel på elektronikboxen hittills, Fitzgerald sa. "Detta är den sanna valideringen av allt det hårda arbete som lagts ner på design- och testprogrammet innan lanseringen."

Rymdfarkostens och instrumentens livslängd och motståndskraft gör att de inte bara fortfarande levererar stora mängder data till jorden, de undervisar också rymdfarkostingenjörer om operationer i bälten.

"Van Allen-sonderna har i princip blivit en testanläggning för att förstå hur elektronik och material kan överleva hård strålning, "Fitzgerald sa. "De sex och ett halvt åren i omloppsbana ger ny data som ska användas i modellerna som bestämmer hur man tillverkar, hur man väljer, och hur man förutsäger prestanda för delar och material i omloppsbana."

Slutliga manövrar

Rymdfarkosten fortsätter att fungera optimalt, och det finns gott om drivmedel. Dock, NASA:s regler kräver kontrollerad de-orbit och avlägsnande från omloppsbana av alla rymdfarkoster efter en period på 25 år från slutet av uppdraget. För att uppfylla detta krav, Van Allen Probes-teamet 2017 började planera hur man skulle sänka rymdfarkosten i banor som så småningom skulle förfalla och leda till återinträde genom atmosfären, säkert sönderdela dem.

"Om vi ​​inte gjorde de här manövrarna, Van Allen-sonderna skulle fortsätta att kretsa i hundratals eller tusentals år, utgör ett potentiellt problem för framtida satellitaktiviteter, " sa APL:s Justin Atchison, Van Allen Probes uppdragsdesigner.

För att sänka rymdfarkosten, uppdragets operationsteam måste utföra manövrarna vid en mycket specifik punkt i omloppsbanan och vid en viss tid på året, och måste utföra operationen i etapper, snarare än en lång motorbränning.

"Vi måste manövrera när satelliterna är i sin högsta bana bort från jorden, eller vad som kallas apogee, " Sa Atchison. "Helst, vi skulle göra alla omloppsbyten i en enda manöver på en enda dag. Dock, vi är begränsade av dragkraftens kapacitet, som vanligtvis endast används för mycket små manövrar för att justera omloppsbanan eller pekningen något. Så vi måste dela upp manövern i mindre segment för att nå målet."

Teamet har repeterat och övat på den bansänkande kampanjen och är redo att börja denna nya fas av uppdragets liv.

"Van Allen Probes-uppdraget har gjort ett fantastiskt jobb med att karakterisera strålningsbälten och förse oss med den omfattande information som behövs för att härleda vad som händer i dem, " Sa Sibeck. "Mer än sex år av nonstop spänning och upptäckter som ger oss den information som behövs för att säkerställa att rymdfarkoster kan överleva i några av de hårdaste miljöer som mänskligheten känner till. Faktiskt, själva överlevnaden av dessa rymdskepp och alla deras instrument, praktiskt taget oskadd, efter alla dessa år är en prestation och en lärdom om hur man designar rymdfarkoster."