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ⓘ Mars Climate Orbiter




Mars Climate Orbiter
                                     

ⓘ Mars Climate Orbiter

Il Mars Climate Orbiter fa parte della coppia di sonde del programma Mars Surveyor, assieme al Mars Polar Lander. La missione delle due sonde era di studiare la meteorologia, il clima le quantità di acqua e di anidride carbonica del pianeta Marte. Lo scopo era di comprendere le riserve, il comportamento e il ruolo atmosferico delle sostanze volatili e cercare le prove di cambiamenti climatici a lungo termine.

Il Mars Climate Orbiter venne distrutto quando, invece di posizionarsi ad una altezza di 140 - 150 km dalla superficie di Marte, si inserì nellatmosfera marziana ad una altezza di soli 57 km. La sonda venne distrutta dagli stress causati dallattrito presente a quella altezza con latmosfera. Si scoprì che alcuni dati erano stati calcolati a Terra in base allunità di misura del Sistema consuetudinario statunitense libbra-forza/secondi, e riferiti al team di navigazione, che invece si aspettava i dati espressi in unità di misura del Sistema internazionale newton/secondi. La sonda non era in grado di effettuare conversioni tra le due unità di misura.

Il costo totale della missione, tra satellite e sonda sul terreno, fu di 328 milioni di dollari.

                                     

1. Obiettivi scientifici

Gli obiettivi scientifici primari erano:

  • monitorare il contenuto di polvere e di vapore acqueo dellatmosfera
  • cercare prove di passati cambiamenti climatici
  • registrare cambiamenti della superficie marziana dovuti al vento o altri effetti atmosferici
  • monitorare la meteorologia le condizioni atmosferiche giornaliere
  • determinare i profili di temperatura dellatmosfera

In particolare doveva essere osservato e studiato il sistema meteorologico, le tempeste di sabbia, lopacità delle nuvole e della polvere, lozono, la distribuzione e il trasporto della polvere e dellacqua, gli effetti della topografia sulla circolazione atmosferica, le reazioni atmosferiche al riscaldamento solare, le caratteristiche della superficie, i venti, lerosione ed i cambiamenti cromatici. Queste indagini dovevano essere compiute da due strumenti: il Mars Climate Orbiter Color Imager MARCI per lacquisizione di dati meteorologici ed immagini ad alta risoluzione del terreno e il Pressure Modulated Infrared Radiometer PMIRR per misurare la temperatura atmosferica, le quantità di vapore acqueo e concentrazione di polveri. Lorbiter doveva anche fungere da satellite ripetitore per il Mars Polar Lander e per futuri lander inviati sul pianeta.

                                     

2. Missione

La sonda venne lanciata da un vettore Delta II 7425 l11 dicembre 1998 alle 18:45:51 UT dal Pad A del complesso di lancio 17 da Cape Canaveral in Florida. Dopo un breve periodo in orbita terrestre, il terzo stadio del vettore inserì la sonda in rotta verso Marte e 15 giorni dopo il lancio venne effettuata una manovra di correzione della traiettoria. Durante la navigazione vennero effettuati altre tre correzioni di rotta il 4 marzo, il 25 luglio e il 15 settembre 1999.

La sonda raggiunse Marte ed eseguì una accensione del motore principale di 16 minuti e 23 secondi per linserimento in orbita il 23 settembre 1999 alle 09:01 UT ERT Earth Received Time - un segnale inviato da Marte impiega 10 minuti e 55 secondi per raggiungere la Terra. La sonda passò dietro Marte alle 09:06 UT ERT e doveva riemergere e ristabilire i contatti radio con la Terra alle 09:27 UT ERT, 10 minuti dopo laccensione del motore. Tuttavia non venne mai ristabilito il contatto e non fu mai più ricevuto nessun segnale dalla sonda.

Le ricerche sulle cause del fallimento indicarono un errore di navigazione derivato dalla mancanza di conversione tra unità di misure del sistema imperiale e il Sistema metrico decimale. I dati errati fecero inserire la sonda in orbita marziana ad una altezza di 57 km invece che 140-150 km previsti, latmosfera più densa distrusse la sonda per attrito.

Laccensione avrebbe dovuto rallentare la sonda ed inserirla in unorbita di cattura. Lorbiter stava iniziando ad effettuare laerobraking, usando i pannelli solari come resistenza fino al 22 novembre 1999, quando avrebbe dovuto entrare nellorbita definitiva. I propulsori ad idrazina avrebbero modificato lorbita della sonda in una traiettoria a 421 km quasi polare il 1º dicembre 1999. Questa orbita sarebbe stata approssimativamente sincrona con il Sole, facendo attraversare lequatore alle 16:30 locali. La prima fase della missione era concepita come supporto al Mars Polar Lander dal momento del suo atterraggio su Marte il 3 dicembre 1999 fino alla fine della sua missione principale il 29 febbraio 2000. Lorbiter avrebbe effettuato 10 passaggi ogni giorno marziano della durata di 5/6 minuti ciascuno sopra al sito del lander per scambiare informazioni con un collegamento a 128 kbit/s. Il 3 marzo 2000 sarebbero iniziate le operazioni scientifiche e la mappatura con gli strumenti MARCI e PMIRR, per una durata prevista di un anno marziano 687 giorni fino al 15 gennaio 2002 quando lorbiter si sarebbe posizionato in unorbita stabile e avrebbe funzionato come ripetitore per la missione Mars 2001.

                                     

3. Problema metrico

Le ruote dinerzia del Mars Climate Orbiter erano mantenute nel loro intervallo di funzionamento lineare attraverso laccensione dei propulsori con una routine detta Angolar Momentum Desaturation AMD. Quando questo avviene, i dati principali della sonda vengono trasmessi a terra, elaborati e inseriti in un file chiamato AMD. Il team delle operazioni di navigazione del Jet Propulsion Laboratory usava i dati derivati dal file AMD per modellare le forze generate dai propulsori che agiscono sulla sonda. La modellazione di queste piccole forze è una operazione critica per determinare con precisione la traiettoria della sonda: dopo laccensione dei propulsori, viene calcolato il cambiamento di velocità "delta-v" tramite il periodo di accensione e un modello delle performance dei propulsori. Questultimo viene calcolato sia con i computer a bordo della sonda che con i computer a Terra. Il problema è che il software che generava il file AMD chiamato SM_FORCES utilizzava come sistema di misura il sistema imperiale britannico invece del sistema metrico decimale, e, nello specifico, la libbra forza invece del newton.

Il software di volo installato a bordo calcolò correttamente il cambiamento di velocità e lo trasmise; tuttavia, il software dei computer a terra era stato scritto per la missione Mars Global Surveyor MGS e il software di volo di questa missione non calcolava questo valore e non lo trasmetteva a terra. Quindi, questo software trascurò il valore trasmesso dalla sonda e lo ricalcolò. A causa della diversa dimensione dei propulsori tra la sonda del Mars Global Surveyor e la sonda del Mars Climate Orbiter, fu apportata una modifica allequazione originale nel software a terra. Il fattore di conversione tra i due sistemi di misura era incorporato nellequazione originale e non era immediatamente identificabile, non venne incluso nellaggiornamento dellequazione e il software a terra calcolò i dati moltiplicati di un fattore di 4.45 1 libbra forza equivale a circa 4.45 newton.

Questo problema venne inasprito da due fattori:

  • Mancanza di testing end-to-end del flusso dati AMD prima del lancio
  • Mancanza di un algoritmo di navigazione indipendente per effettuare controlli incrociati sullalgoritmo AMD durante il volo

Queste procedure vennero sempre effettuate nelle missioni precedenti, ma furono cancellate dalla missione MCO a causa dei tagli al budget che riguardarono essenzialmente il sistema dei controlli relativi al buon funzionamento dei sistemi operativi.