Galileo (kosmosesond)

Ülevaade

JPL hakkas missiooniga tegelema 1977. aastal, mil Voyagere valmistati ette stardiks. Esialgu pidi sondi orbiidile viima kosmosesüstik Columbia, missiooni STS-23 raames ja stardi toimumise ajaks oli plaanitud jaanuar 1982, kuid kosmosesüstikutega tekkinud viivitused andsid sondi ehitavale meeskonnale aega juurde. Kui kosmosesüstikute lennud muutusid tavapäraseks, määrati sondi stardiajaks 1984, kuid see lükati 1985. ja seejärel 1986. aastasse. Missiooni nimi oli esialgu Jupiter Orbiter Probe, kuid 1978. aastal sai sondi nimeks Galileo.
Sond pidi orbiidile minema missiooniga STS-61-G, mida pidi teenindama kosmosesüstik Atlantis. Orbiidil pidi sond süstiku lastiruumist eralduma ning Maa orbiidilt lahkuma, kasutades Inertial Upper Stage'i (IUS), mis hiljem vahetati välja Centauri vastu. Siiski lükkus missioon taas edasi, sest NASA peatas Challengeri katastroofi järel kõik süstikulennud. Sondi meeskond otsustas süstikulendude seisaku ajal, et Galileo peab Jupiteri juurde jõudmiseks kasutama möödalende planeetidest, sest selgus, et IUS on Jupiteri juurde jõudmiseks vajaliku kiiruse andmiseks liiga nõrk ja NASA keelas võimsama süsteemi kasutamise. Galileo viidi kosmosesse missiooni STS-34 raames, mida teenindas kosmosesüstik Atlantis ja sond lahkus süstiku lastiruumist 19. oktoobril 1989.
Galileo möödus Veenusest 10. veebruaril 1990, lähenedes planeedile kuni 16 106 km kaugusele. Veenusest möödumisega suurenes sondi kiirus 8030 km/h ja seejärel möödus sond kaks korda Maast. Esimene Maast möödumine toimus 8. detsembril 1990 ja sond möödus Maast 960 km kauguselt. 29. oktoobril 1991 möödus sond asteroidist 951 Gaspra ning lähenes seejärel teist korda Maale. Teist korda möödus Galileo Maast, 8. detsembril 1992 ja suurendas oma kiirust 13 320 km võrra. Teekonnal Jupiterile, möödus sond 28. augustil 1993 2410 km kauguselt asteroidist 243 Ida ja avastas asteroidi ümber tiirlemas kuu, Dactyli. 13. juulil 1995 eraldus Galileo küljest maandur, mis alustas iseseisvalt teekonda Jupiterile ja 8. detsembril 1995 sai Galileost esimene Jupiteri orbiidile jäänud kosmosesond, kui see sisenes peamootori abil parkimisorbiidile, mille orbitaalperiood oli 198 päeva.
Galileo põhimissiooniks oli uurida kaks aastat Jupiteri ja tema kaaslasi. Kosmosesond tiirles piklikul elliptilisel orbiidil ja üks tiir kestis umbes 2 kuud. Orbiit oli valitud nii, et sond sai uurida Jupiteri magnetvälja erinevaid piirkondi ja sooritada möödalende Jupiteri suurimatest kuudest. Pärast põhimissiooni lõppu algas pikendatud missioon ja sel ajal sooritas sond mitu möödalendu Europast ja Io'st. Möödalende Io'st oli varem edasi lükatud, sest Io ümber on tugev radiatsioon ning seetõttu otsustati, et sond möödub sellest siis, kui sondi kaotamine on vastuvõetavam.
Galileo kaamerad lülitati välja 17. jaanuaril 2002, sest need olid radiatsiooni mõjul tugevalt kahjustada saanud. NASA insenerid suutsid pardasalvestite elektroonika ära parandada ning seetõttu jätkas Galileo info kogumist kuni 2003. aastani, mil see Jupiteri atmosfääri kukutati.

Seadmed ja teadusseadmed

Galileo ehitas NASA nimel JPL, mis missiooni ajal juhtis sondi. Messerschmitt-Bölkow-Blohm tarnis käitursüsteemi ning Hughes Aircraft Company tarnis JPL-ile atmosfääri mooduli, mida juhtis NASA Ames'i uurimiskeskus. Galileo ja maandur kaalusid kokku 2562 kg ja sondi pikkuseks oli 6,15 m. Sondi üks sektsioon pöörles kiirusega kolm pööret minutis, hoides sondi stabiilsena ning võimaldades kuuel teadusseadmel koguda infot eri suundadest.

Käitursüsteem

Käitursüsteem koosnes peamootorist, mis tekitas tõukejõudu 400 N ning kaheteistkümnest tõukurist, millest igaüks tootis tõukejõudu 10 njuutonit. Lisaks peamootorile ja tõukuritele oli moodulis ka kütusepaagid koos 925 kg kütusega ning vajalik torustik. Kütusena kasutati monometüülhüdrasiini ja lämmastiktetroksiidi ning eraldi tankidesse paigutati 7 kg heeliumi, mida kasutati survestina. Käitursüsteemi projekteeris ja ehitas Messerschmitt-Bölkow-Blohm, sest Lääne-Saksamaa oli Galileo projekti rahvusvaheline partner

Elekter

Galileo ehituse ajaks polnud päikesepaneelide areng jõudnud selleni, et neid saaks kasutada Jupiteri orbiidil, pidi NASA kasutama radioisotoopgeneraatoreid (RTG), mis muutsid radioaktiivse materjali lagunemisel tekkiva soojuse Seebecki efekti abil elektriks. See oli ka töökindlam lahendus, sest RTG-sid ei mõjuta Jupiteri radiatsioonivööd ega madalad temperatuurid.
Mõlemad RTG-d paigaldati 5 meetri pikkuste mastide külge ning need sisaldasid 7,8 kg plutooniumi. RTG-d olid ehitatud väga tugevateks ning need olid projekteeritud selliselt, et need jääksid õnnetuse korral terveks ka kanderaketi plahvatamisel, Maa atmosfääri sisenemisel ja kokkupõrkel vee või maapinnaga. Radioisotoopgeneraatorid tootsid stardil 570 W ning energiatootlikkus langes 0,6 W kuus, olles Jupiteri juurde saabumisel langenud 493 vattini.
Galileo stardi lähenedes, andsid tuumaenergia vastased NASA kohtusse, et saavutada sondi stardi keelamine. Hagejad tõid põhjuseks RTG-de liigse ohtlikkuse, ehkki neid oli varasematel missioonidel edukalt kasutatud. Samas oli inimeste teadlikkus kosmoselendude ohtlikkusest tõusnud, sest 1974. aastal kukkus Kanadasse Nõukogude Liidu satelliit, mis küll polnud varustatud tuumakütusega ning 1986. aastal oli toimunud Challengeri katastroof. Lisaks sellele, polnud ükski RTG-d kasutav kosmosesond sooritanud Maa-lähedast möödalendu ning seetõttu kartsid tuumavastased ühendused, et kui kosmosesüstik stardil hävib või möödalend Maast ebaõnnestub, võib tuumakütus Galileo purunemisel sattuda Maa atmosfääri.
Pärast Challengeri katastroofi kaalus NASA RTG-le lisakaitse paigaldamist, kuid sellest plaanist loobuti, sest see suurendas missiooni ebaõnnestumise riski ja kui mõne ohu tekkimise tõenäosus alanes, siis teise oma jällegi suurenes. Näiteks, kui Galileole oleks lisatud täiendav kaitse ja kosmosesondiga oleks orbiidil midagi juhtunud, siis oleks lisakaitse suurendanud maaga kokkupõrke ohtlikkust.

Solid State Imager (SSI)

SSI oli CCD-sensoriga varustatud kaamera, mille optiline osa oli ehitatud Cassegraini teleskoobina. Kaamerasse sisenevat valgust kogus peapeegel, mis suunas valguse abipeeglisse, mis suunas selle CCD-sensorisse, mis oli ümbritsetud sentimeetri paksuste tantaalist plaatidega, et kaitsta seda radiatsiooni eest. SSI kasutas pildistamisel erinevaid lainepikkuseid ning värvilised fotod saadi, kui erinevad fotod sulatati Maal arvuti abil üheks pildiks. SSI kaalus 29,7 kg ja kasutas energiat keskmiselt 15 W.

Near-Infrared Mapping Spectrometer (NIMS)

NIMS oli infrapunaspektromeeter, mis tuvastas infrapuna, mille lainepikkus oli vahemikus 0,7-5,2 mikromeetrit. Seadme teleskoop kasutas ainult reflektoreid (koosnes peeglitest ja läätseid ei kasutatud), mille ava oli diameetriga 229 mm. NIMS-i spektromeeter kasutas siseneva valguse hajutamiseks resti ja valgus koondati detektoritele, mis olid valmistatud indiumist, antimoniidist ja ränist. NIMS kaalus 18 kg ja kasutas energiat keskmiselt 12 W.

Ultraviolet Spectrometer / Extreme Ultraviolet Spectrometer (UVS/EUV)

UVS-i Cassegraini teleskoobil oli 250 mm ava ja see kogus vaadeldava objekti valgust. Nii UVS kui ka EUV kasutasid reste, et hajutada spektraalanalüüsi tarbeks valgust. Hajutatud valgus läbis seejärel fotokordisti torudesse viiva pilu, mis valmistas sisenevast valgusest elektronide impulsid. Seejärel loendas seade saadud impulsid ning koostas aruande, mis saadeti Maale. Kaks seadet kaalusid kokku 9,7 kg ja kasutasid energiat 5,9 W.

Photopolarimeter-Radiometer (PPR)

PPR mõõtis andmete kogumisel seitset radiomeetria sagedust. Üks sagedus ei kasutanud mingeid filtreid ja see mõõtis kogu sissetulevat päikese- ja soojusradiatsiooni ning teine mõõtis ainult Päikese radiatsiooni. Nende sageduste kasutamisel said teadlased teada eralduva soojusradiatsiooni koguse. PPR sooritas mõõtmisi ka viie lairiba kanaliga, mille lainepikkused olid vahemikus 17 kuni 110 mikromeetrit. Radiomeeter mõõtis Jupiteri atmosfääri ja kuude temperatuure ning seadme valmistamisel võeti eeskujuks Veenusele saadetud kosmosesondi pardal kasutatud teadusseade. PPR sooritas mõõtmisi teleskoobi abil, millel oli 100 mm ava ning mis kogus valgust ja suunas selle filtritesse, mille läbimise järel jõudis see PPR-i detektoritesse. PPR kaalus 5 kg ja kasutas energiat 5 W.

Dust Detector Subsystem (DDS)

DDS-i ülesanneteks oli mõõta seadmesse sattuvate tolmuosakeste massi, elektrilist laengut ning kiirust. DDS suutis tuvastada kuni 10⁻¹⁶-10⁻⁷ grammi kaaluvaid osakesi ja seade mõõtis osakeste kiirust vahemikus 1–70 km/s. DDS-i kogutud andmed võimaldasid teadlastel teha kindlaks Jupiteri magnetosfääris leiduvate osakeste päritolu ja arengu. DDS kaalus 4,2 kg ja kasutas energiat keskmiselt 5,4 W.

Energetic Particles Detector (EPD)

EPD oli projekteeritud mõõtma nende ioonide arvu ja laengut, mille energia ületas 20 keV. Seade suutis tuvastada ka osakeste liikumissuuna ja ioonide leidmisel suutis määrata ka nende koostise. EPD mõõtmised aitasid teha kindlaks, kuidas Jupiteri magnetosfääfris liikuvad osakesed said oma laengu ning kuidas need magnetosfääris liikusid. EPD kaalus 10,5 kg ja see kasutas energiat keskmiselt 10,1 W.

Heavy Ion Counter (HIC)

HIC oli varem tegelikult Voyageri sondist üle jäänud varuosa, mida oli moderniseeritud ning seejärel Galileo tarbeks kasutusse võetud. Seade tuvastas monokristalli räniplaatide abil raskeid ioone. Mõõtmistel suutis seade tuvastade ioone, mille energia oli vahemikus 6-200 MeV ja seetõttu tuvastas seade kõiki süsiniku ja nikli vahele jäävaid atomaarseid aineid. HIC ja EUV omasid ühist sideliini ning seetõttu pidid seadmed vaatlusaega jagama. Seade kaalus 8 kg ja kasutas energiat keskmiselt 2,8 W.

Magnetometer (MAG)

MAG kasutas kahte sensorikomplekti, mis koosnesid kolmest sensorist. Üks komplekt asus magnetomeetri masti tipus ja oli 11 meetri kaugusel sondi pöörlemisteljest. Teine komplekt sensoreid oli mõeldud tuvastama tugevamaid magnet välju ja see asus pöörlemisteljest 6,7 meetri kaugusel. Mõlemad sensorikomplektid olid kinnitatud masti külge, sest nii ei asunud sensorid sondi kere lähedal, mille seadmetest tekkiv magnetväli oleks võinud sensoreid mõjutada. Looduslike ja tehislike magnetväljade eristamiseks pandi sond pöörlema ja lisaks nendele meetmetele oli kosmosesondi külge kinnitatud magnetpool, mis tekitas vajadusel magnetvälja, et seadet kalibreerida. MAG kaalus 7 kg ja kasutas energiat 3,9 W.

Plasma Subsystem (PLS)

PLS kogus laetud osakesi, et analüüsida osakeste energiat ning massi. Seade oli võimeline tuvastama osakesi, mille energia jäi vahemikku 0,9 – 52 000 eV. PLS kaalus 13,2 kg ja kasutas energiat keskmiselt 10,7 W.

Plasma Wave Subsystem (PWS)

PWS kasutas poollainedipooli, et uurida plasma elektrivälju ning kahte magnetpooli, et uurida magnetvälju. Poollainedipool oli paigaldatud magnetomeetri masti tippu ja magnetpoolid olid kinnitatud peaantenni külge. Poolide sooritatud magnet- ja elektrivälja üheaegne mõõtmine, võimaldas eristada staatilise elektri laineid elektromagnetlainetest. PWS kaalus 7,1 kg ja kasutas energiat keskmiselt 9,8 W.

Elu tuvastamine Maal

1980ndatel juurdles astronoom Carl Sagan, et kas Maal toimuvat elutegevust on võimalik lihtsasti tuvastada ka kosmosest. Ta mõtles välja mitmed katsed, mida Galileo pidi tegema ajal, mil see sooritab esimese möödalennu Maast. Pärast möödalennu andmete saabumist ja nende analüüsimist, avaldas Sagan oma uurimuse tulemused 1993. aastal ajakirjas Nature. Galileo oli Maast möödudes tuvastanud parameetrid, mida tänapäeval tuntakse nimega "Sagani elukriteeriumid". Sond oli möödalennul tuvastanud, et Maa neelab palju valgust ning neelduvus on eriti suur mandritel, kus asuvad klorofülli tootvad taimed. Sond tuvastas Maa atmosfäärist ka metaani, mis saab tekkida ainult vulkaanilise või bioloogilise tegevuse tulemusel ning sond püüdis kinni ka raadiolaineid, mis olid moduleeritud lühilained ja ei saanud pärineda ühestki looduslikust allikast. Galileo tõestas sellega, et elu on võimalik tuvastada ka kosmosest.

Galileo optiline eksperiment

Detsembris 1992, mil Galileo sooritas oma teise möödalennu Maast, tegi see optilise side katse, tuvastades CCD-sensoriga võimsate laserite impulsse. Katse ajal sihtisid kaks New Mexico ja California osariikidesse paigaldatud laserit kosmosesondi ning Galileo pildistas laserkiirte impulsse SSI-iga. Eksperimendi sooritamist takistasid kehv ilm, USA Kosmosekaitseoperatsioonide keskuse seatud piirangud ning eksimus sihtimisel ja seetõttu jäid laserkiired ainult 48 fotole 159-st. Katse oli siiski edukas ja selle raames kogutud andmete abil saab tulevikus kasutada lasereid, et suhelda paremini näiteks Marsi ümber tiirlevate kosmosesondidega.

Esimene möödalend: 951 Gaspra

29. oktoobril 1991, kaks kuud pärast sisenemist Asteroidide vöösse, möödus kosmosesond esmakordselt lähedalt asteroidist. Galileo möödus 951 Gasprast 1600 km kauguselt ning pildistas seda ja uuris selle koostist ning kuju. Viimased Gasprast tehtud pildid saabusid Maale novembris 1991 ja juunis 1992. Galileo piltidelt oli näha asteroid, mis oli väga korrapäratu kujuga ning kraatriline. Sond mõõtis asteroidi suuruseks umbes 19x12x11 km. Viimased andmed möödalennu kohta saabusid novembris 1992.

Teine möödalend: 243 Ida ja Dactyl

28. augustil 1993 möödus Galileo 2400 km kauguselt asteroidist 243 Ida. Sond avastas möödalennul, et Ida ümber tiirleb kuu, mille diameeter on 1,4 km ja mis sai nimeks Dactyl. See oli esimene avastatud asteroidi kuu. Möödalennul uuris sond Idat ka SSI, magnetomeetriga ning NIMS-iga.

Jupiteri radiatsioon

Jupiteri ümber olevad tugevad radiatsioonivööd tekitasid kosmosesondile probleeme üle 20 korra, sest insenerid olid kosmosesondi projekteerimist ja ehitust alustanud, kasutades Pioneer 10 ja Pioneer 11 saadetud andmeid kasutades, kuna sel ajal polnud Voyagerid Jupiterile veel jõudnud. Jupiteri juures olev radiatsioon oli inseneride eeldatust vähemalt 3 korda tugevam, kuid sond suutis sellest hoolimata kõigist riketest taastuda ning kiirgus ei tekitanud kordagi süsteemide töö üldist katkestust.
Üks radiatsiooni tekitatud ja igapäevaseks muutunud probleem oli, et teadusseadmed hakkasid tõrkuma ajal, mil see oli 700 000 km kaugusel planeedist. Kui SSI tõrkuma hakkas, tegi see täiesti valgeid pilte ning kuigi rike suudeti parandada, esines seda edaspidigi.
Kõige tõsisem radiatsiooni tekitatud rike oli elektrivoolu leke kusagil sondi vooluvõrgus. Insenerid pidasid tõenäoliseks, et leke on kusagil pöörleva ja staatilise sektsiooni vahel. Riket peeti tõsiseks, sest see põhjustas sagedast arvuti restarti ning see viis sondi alati avariirežiimile. Rikke mõju suudeti vähendada, kui aprillis 1999 tehtud tarkvara uuendus võimaldas pardaarvutil lekked ära tunda ning ilma avariirežiimi minemata iseseisvalt taastuda.

Peaantenn

Pärast esimest möödalendu Maast, pidi Galileo avama oma suundantenni, kuid selle avamine ebaõnnestus ning tekitas tõsised sideprobleemid. Antenn oli 18 ribiga ning plaanide kohaselt pidi antenni ajami käivitumisel antenni otsad kinnitustest vabanema ja antenn avanema. Tegelikult vabanesid kinnitustest ainult 15 otsa. Rikke uurijad leidsid, et selle põhjustas antenni ribide määrdeaine erodeerumine ja kulumine. Määrdeaine erodeerus ning kulus, kuna kulude säästmiseks otsustas NASA sondi Florida ja California vahel transpordimiseks kasutada lennuki asemel veokit. Teooriat toetas ka asjaolu, et kolm avanemata jäänud ribi olid transpordi ajal transpordialuse pool ning keegi polnud määret enne starti üle kontrollinud.
Riket prooviti kõrvaldada mitmel ei viisil. Üks lahendus oli, et Galileo pandi pöörlema maksimaalse kiirusega ja lisaks proovisid insenerid antenni avada, lülitades antenni ajamit üle 13 000 korra sisse ja välja. Inseneride pingutustest hoolimata jäi probleem lahendamata.
Peaantenni mitteavanemisega kaasnes ka probleem, et kui üks kolmest ribist peaks ootamatult kinnitusest vabanema, siis jääksid ülejäänud kaks suure surve alla ja kui üks kahest peaks vabanema, siis oleks viimane nii suure surve all, et see ei vabaneks kinnitusest kunagi. Probleemi teine pool oli asjaolu, et sond pidi Veenusest mööda lennates lähenema Päikesele lähemale, kui algselt planeeritud ning seetõttu pidi see tulema toime vähemalt 50 kraadi suurema temperatuuriga kui algselt planeeritud. Probleemi lahendamiseks tuli kasutusele võtta peaantenni ajami arvuti, et tagada Galileo normaalne töö.
Hoolimata peaantenni kaotusest, oli sidepidamiseks võimalik kasutada teist antenni, aga selle andmesidekiirus oli peaantenni omast tunduvalt madalam ning antenni signaal oli Maale jõudes väga nõrk. Süvakosmose sidevõrk vajas seadmete uuendamist, et Galileoga suhelda. Pärast sidevõrgu uuendamist ning Galileolt saadetavate andmete saatmiseelset tihendamist, tõusis andmesidekiirus tuhande bitini sekundis. Kuna peaantenni kaotamise tõttu oli kogutud andmete Maale saatmine aeganõudvam ning seetõttu saadi missiooni vältel sondilt planeeritust vähem andmeid, kuid sellest hoolimata suudeti täita 70 % missiooni eesmärkidest.

Salvesti

Galileo peaantenni kaotus tähendas, et kogutud andmete säilitamine salvesti abil oli äärmiselt tähtis, et need saaks hiljem tihendada ja Maale saata. Oktoobris 1995 jäi Galileo salvesti 15 tunniks tagasikerimise režiimile, enne kui insenerid selle avastasid ja käskisid kerimise lõpetada. Pärast seda arvasid insenerid, et salvesti lint võis viga saada ning lindi kahjustatud osa ei kasutatud enam kunagi. Kuna vahejuhtum toimus mõni nädal enne Galileo orbiidile sisenemist, otsustasid insenerid ohverdada kõik Io ja Europa kohta kogutud andmed, et keskenduda ainult Galileo maanduri saadetavate andmete kogumisele.
Novembris 2002 lõpetas Galileo ootamatult andmete kogumise umbes 10 minutit pärast ainsat möödalendu Amaltheast. Kosmosesond lõpetas igasuguse andmete kogumise, lülitas kõik oma seadmed välja ja läks turvarežiimi. Esialgu arvati, et sond lülitus turvarežiimi Jupiteri radiatsioonist tekkinud vea tõttu ning kogutud andmete pärast ei muretsetud, sest enamus Amalthea kohta kogutud teabest oli juba salvestatud. Siiski avastasid insenerid, et salvesti keeldus millegi pärast allumast korraldustele saata kogutud teave Maale. Pärast nädalaid kestnud uurimist, kasutades selleks identset salvestit, suutsid insenerid teha kindlaks, et rike tõenäolisim põhjus oli pöördkoodri kolme infrapunavalgust kiirgava valgusdioodi kulumine. Insenerid tegid kindlaks, et tõenäoliselt oli planeedi radiatsioon kahjustanud salvesti kristalldetaile ning vähendanud valgusdioodidest eralduva valguse hulka. See omakorda põhjustas olukorra, kus pardaarvuti hakkas arvama, et pöördkoodri ratas oli vales asendis ning käivitas turvarežiimi. Insenerid kasutasid rikke parandamiseks n-ö lõõmutamisseansse, kus dioode kuumutati mitu tundi, et tekkiv kuumus parandaks kristalle ning suurendaks eralduva valguse hulka. Pärast 100-tunnist lõõmutamist oli salvesti võimeline töötama kuni tund aega järjest ning teadlased said kätte kõik Amalthea möödalennu andmed.

Missiooni lõpp

Kaks aastat Jupiteri orbiidil viibimist, hakkas sondile mõju avaldama ning Galileo kütus oli 2000. aastate alguses otsakorral. Lisaks polnud Galileo läbinud steriliseerimist ning seetõttu arvati, et selle pardal võib olla Maalt pärit baktereid. Neil põhjustel otsustati, et Galileo juhitakse Jupiteri atmosfääri, kus see põleb ära ning välistab Jupiteri kuude võimaliku saastamise.
Galileo möödus 5. novembril 2002 Amaltheast ning mõõtis selle massi, olles minimaalselt 163 ±11,7 km kaugusel. Pärast seda kaugenes sond planeedist 26 miljoni kilomeetri kaugusele ja lähenes seejärel planeedile, et siseneda selle atmosfääri. Galileo sisenes 21. septembril 2003 ekvaatori lähedalt Jupiteri atmosfääri ning hävis. Missioon läks maksma umbes 1,4 miljardit dollarit.