Il PFS (Particle and Fields Satellite)

Il PFS-1 (Apollo 15)

In un precedente post mi ero occupato degli esperimenti compiuti durante la permanenza in orbita lunare con l’apparecchiatura installata sul CSM. Tra gli strumenti contenuti nella SIM bay delle missioni Apollo 15 e Apollo 16, hanno trovato posto anche due piccoli satelliti, solitamente menzionati come ‘subsatellite’ nella documentazione NASA e il cui nome tecnico era PFS (Particle & Fields Satellite).

I PFS avevano la forma di un cilindro esagonale lungo 78 cm con una diagonale (da uno spigolo a quello opposto) di 36 cm, per un peso di 36.3 Kg. Ad una delle estremità si trovavano 3 braccia estensibili lunghe 1.5 m. Uno di essi terminava in un magnetometro, mentre gli altri due terminavano con una massa inerte (per bilanciare il satellite). Un corto cilindro si trovava all’altra estremità e serviva, insieme ad un meccanismo a molla nell’alloggiamento nella SIM bay, per rilasciare il satellite ed imprimergli una rotazione. Un attenuatore di oscillazioni all’interno del satellite provvedeva allo smorzamento dei movimenti precessioni e di nutazione eventualmente impressi durante il rilascio. Sullo stesso lato del cilindro si estendeva una antenna in Banda S per la comunicazione, capace di trasmettere 128 bit/s verso la Terra. I sei lati del satellite erano rivestiti di pannelli solari per fornire circa 24 W di energia durante l’esposizione diretta al sole e 14 W in media durante una singola orbita. Il sistema di alimentazione comprendeva anche 11 batterie all’argento-cadmio. Una memoria a nuclei magnetici (come quella in uso nell’AGC) poteva archiviare 49.152 bit nel periodo in cui le comunicazioni con la Terra non erano possibili. Due telescopi rilevatori di particelle (Solid State Particle Telescope) erano installati ad una delle estremità e 4 analizzatori di particelle erano disposti lungo i pannelli laterali. I PFS non erano dotati di nessun sistema di propulsione.

I PFS furono sostanzialmente uguali per entrambe le missioni e completarono tre esperimenti:

  1. S-band Transponder: tracciando accuratamente tramite questo strumento l’orbita del PFS fu possibile ottenere una mappa dettagliata del campo gravitazionale lunare (inclusi i mascons) e quindi importanti informazioni sulla distribuzione della massa all’interno della Luna

  2. Magnetometro: venne usato per determinare la forza e l’orientamento del campo magnetico vicino alla Luna. Poichè la Luna si trova all’interno del campo magnetico terrestre, quello in prossimità del nostro satellite cambia mentre questo percorre la sua orbita. Inoltre vennero trovate delle anomalie magnetiche localizzate in prossimità del cratere Reiner Gamma e Van De Graaff

  3. Rilevatori di particelle: venne usato per determinare la densità e l’energia di elettroni e protoni in prossimità della Luna. Queste quantità cambiano a seconda della posizione lunare nel campo magnetico terrestre e dell’attività solare

Schema del PFS

I subsatelliti aggiunsero una complicazione extra alle procedure di un piano di volo già complesso come quello delle missioni di tipo J. Gli scienziati non volevano che i PFS venissero lanciati nella stessa orbita seguita dal CSM: come detto i PFS non avevano mezzi di propulsione propri e l’effetto del campo gravitazionale irregolare della Luna avrebbe provocato un rapido deterioramento dell’orbita e quindi una vita operativa di poche settimane. Fu quindi necessario pianificare una extra manovra per modificare l’orbita del CSM prima del rilascio. All’equipaggio veniva passato uno Shape SPS/G&N PAD.

La manovra veniva effettuata solo 2 ore e mezzo prima della TEI e richiedeva una accensione dell’SPS per circa 3 secondi: l’orbita passava da 121.1 x 96.7 Km a 140.9 x 100.6 Km. Una volta raggiunto il lato lontano, il CMP eseguiva il Verb 49 dell’AGC, ponendo il CSM in una posizione tale che il PFS rilasciato avrebbe avuto l’asse principale perpendicolare all’eclittica e quindi al Sole. Il meccanismo di espulsione era stato progettato per imprimere anche una rotazione al subsatellite, rotazione che avrebbe dovuto stabilizzarlo mentre si allontanava dal CSM e permettere ai pannelli solari di cui era dotato di ricevere sufficiente illuminazione da generare l’energia necessaria ad attivarlo. Durante questa manovra il CSM disattivava il controllo dell’orientamento (attitude control) per evitare che una accensione dei razzi dell’RCS disturbasse il rilascio. Si trattò dei primi casi di rilascio di un satellite da una capsula della NASA. Il PFS e il dispositivo di lancio si muovevano lungo un binario e aprivano uno sportello protettivo. A quel punto un piccola carica esplosiva liberava il subsatellite e una molla lo spingeva via.

Una rappresentazione del rilascio del PFS

Il PFS-1 venne rilasciato nel corso della missione Apollo 15 alle 21:00:31 UTC del 4 Agosto 1971. La velocità impressa al rilascio fu di 1.2 m/s con una velocità di rotazione di 120 rpm (giri al minuto). Subito dopo il rilascio vennero estese le braccia: questo ridusse le rotazioni a 12 al minuto. L’orbita iniziale aveva un perilunio di 102 Km e un apolunio di 139 km, con un periodo di 120 minuti. Le perturbazioni gravitazionali indotte dalla Luna alterarono in breve tempo quest’orbita. Il PFS-1 trasmise dati per 6 mesi prima che due problemi consecutivi all’elettronica nel Febbraio 1972 compromettessero molti dei canali disponibili per la trasmissione dati. I canali superstiti vennero monitorati in maniera sempre meno frequente fino al Gennaio 1973, quando il PFS-1 venne abbandonato. Si presume che l’orbita sia degradata fino all’impatto con la superficie in un luogo sconosciuto.

Il PFS-2 venne rilasciato nel corso della missione Apollo 16 alle 21:56:09 UTC del 24 Aprile 1972. La velocità impressa al rilascio fu di 1.2 m/s con una velocità di rotazione di 120 rpm (giri al minuto). L’orbita iniziale aveva un perilunio di 102 Km e un apolunio di 139 km, con un periodo di 120 minuti. Il PFS-2 trasmise dati dal 24 Aprile al 29 Maggio 1972. La sua breve vita (34 giorni, 425 orbite) fu dovuta ad una errata inclinazione orbitale assunta al momento del rilascio.

Il principale risultato ottenuto grazie ai PFS è stato una conoscenza approfondita dell’interazione tra il vento solare e la Luna. I magnetometri a bordo di ciascun PFS hanno inoltre fornito dettagliate informazioni sul campo magnetico residuo mostrate da alcune aree del nostro satellite naturale.

Alcune foto del rilascio del PFS-1 sono disponibili in questa pagina dell’LPI Apollo Image Atlas.

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