Descripci√≥n de la carga útil

GRAD son las siglas en ingles de Detector Avanzado de Rayos Gamma el cual fue un experimento desarrollado por la Universidad de Florida, el Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa que fue lanzado en un globo estratosférico desde la estación McMurdo en 1988. Originalmente programado para volar en una misión del transbordador espacial en 1987, fue dejado de lado después del desastre del Challenger en enero de ese año y por lo tanto se adaptó para ser lanzado en un globo. Fue el primer lanzamiento de un globo a gran altitud realizado desde la Antártida.

A la izquierda podemos ver un esquema detallado de GRAD (click para agrandar).

El instrumento era un espectrómetro de rayos gamma que consistía en un detector de germanio de tipo N encerrado en un blindaje activo de germanato de bismuto y centelleadores de plástico que se enfriaba a la temperatura del nitrógeno líquido. El espectrometro se ubicaba en el fondo de un "pozo" dentro de un detector de centelleo BGO de forma cilíndrica. Sobre la abertura del pozo y acoplada ópticamente al BGO había una hoja de centelleador de plástico de 3 mm de espesor que proporciona un pulso de veto para las partículas cargadas entrantes que de otro modo contribuirían al fondo en el detector de germanio. El volumen activo del detector era de 135 cm3.

El escudo BGO consistía en una mitad izquierda y una mitad derecha que se cerraban alrededor del detector de germanio; cada mitad era vista por tres tubos fotomultiplicadores montados en la parte inferior alimentados con un suministro de alto voltaje de 1200 V. El escudo definia el ángulo de apertura del detector (aproximadamente 23 ° de ancho medio) y suprimia el fondo no deseado proveniente de fuentes tales como rayos cósmicos, partículas cargadas y rayos gamma provenientes de dispersiones por efecto Compton.

El instrumento funcionaba con apuntamiento azimutal únicamente, fijado en un ángulo cenital de 21º. Toda la góndola giraba alrededor de su eje vertical en un ciclo fijo: una hora apuntando al objetivo de observación seguida de 55 minutos sin apuntar al objetivo.

HISTORIA DE DESARROLLO

GRAD estaba programado para volar en una misión del transbordador espacial en 1987, pero fue dejado de lado después del desastre del Challenger en enero de ese año. Por lo tanto, el instrumento ya había sido construido, probado y completamente calificado para vuelos espaciales cuando se descubrió la supernova SN1987A en el cielo del hemisferio sur. A mediados de marzo, un grupo de investigadores de la Universidad de Florida, DARPA y el Goddard Space Flight Center comenzaron a considerar la adaptación de GRAD a una plataforma de globos. Como GRAD era solo un espectrómetro de un solo elemento, para obtener datos utilizables sobre la emisión de rayos gamma de SN1987A, sería necesario un mayor tiempo de observación en el objetivo, por lo que el único sitio posible para obtener dicho tiempo de exposicion era lanzarlo en un globo de larga duración desde la Antártida. Además, la ventana de lanzamiento desde finales de diciembre a mediados de enero coincidia casi exactamente con el tiempo previsto de flujo máximo de rayos gamma de SN1987A. Tras contactar con el Laboratorio de Geofísica de la Fuerza Aérea (a cargo de las operaciones de globos para el programa de la Fuerza Aérea en la Base Holloman de Nuevo Mexico) ellos aceptaron la desafiante tarea de lanzar en poco tiempo, por primera vez, un globo de tal tamaño en un lugar tan remoto.

Una vez fijada la fecha límite para finales de noviembre, fue necesario un gran esfuerzo y coordinación de todas las partes para colapsar el trabajo normal de dos años en los pocos meses asignados por las circunstancias naturales. Una planificación cuidadosa y la búsqueda de soluciones prácticas y sencillas llevaron al diseño final de la versión de GRAD en globo.

Para la góndola se desarrolló un diseño piramidal liviano haciendo uso de remaches en lugar de soldaduras, mientras que el sistema de apuntamiento se construyó a partir de un sensor solar que producía señales de error que imitaban las de un sensor magnetómetro, por lo que simplemente reemplazó este último con el primero en el controlador del sistema de rotor de la góndola, logrando así un apunte azimutal con una precisión de 2 grados.

El sistema de energía del globo se basó en paneles solares y baterías de plata y zinc disponibles comercialmente. Cuatro de estas suministraban energía de forma independiente al espectrómetro, los sistemas de telemetría principal y de respaldo y el mecanismo de apuntamiento, mientras que las otras dos unidades adicionales servian como respaldo.

El sistema de seguimiento se basó en dos transmisores redundantes para el sistema de navegación por satélite ARGOS. Las coordenadas del globo eran transmitidas periódicamente por satélite a las estaciones terrestres de ARGOS en Francia y Estados Unidos, luego por enlace de datos a Los Ángeles y de allí de regreso a la Antártida a través del sistema INMARSAT.

Un gran desafío fue construir una estación de telecomando y telemetría que fuera aerotransportada: sería portátil ya que no se sabía el tipo de aeronave que estaría disponible para rastrear el globo, y no sería posible realizar ninguna modificación a la estructura externa del aeroplano. La solución final fue instalar las antenas de transmisión y recepción en una cubierta de repuesto para una escotilla de escape de emergencia delantera ubicada sobre la estación del navegador en un Hercules C-130. Dicha cubierta modificada podía transferirse de un avión a otro sin obstaculizar la función de la salida de emergencia.

Detalles de la misión

Sitio de lanzamiento: Williams Field, Estación McMurdo, Antartida  
Dia y hora de lanzamiento: 8/1/1988 12:15 local time
Lanzamiento y operación del globo a cargo de: Holloman AFB
Tipo de globo/fabricante/volumen/composicion: Globo de Presión Cero 300.000 m3
Nº de vuelo: H88-01
Dia y hora de fin del vuelo (L para hora de aterrizaje, W ultimo contacto conocido, resto hora de separacion): 11/1/1988 11:00 local time
Duración del vuelo (d:dias / h:horas / m:minutos): 3 d
Sitio de aterrizaje o ultima posición conocida: 320 km al este de la estación Rusa Vostok, Antártida
Peso carga útil: 900 kgs

Habiendo cumplido todos los hitos en la fase de planificación y construcción mencionados anteriormente, el equipo GRAD se reunió en la Base de la Fuerza Aérea Holloman en octubre de 1987 para comenzar con la fase de integración y prueba del proyecto. Después de esto, todos los elementos fueron transferidos a la Antártida. El equipo de campo compuesto por 20 experimentadores y el equipo de lanzamiento llegó a la estación McMurdo el 16 de diciembre. La carga útil y el equipo de apoyo terrestre se desempacaron, volvieron a ensamblar y probaron en la base, mientras que la estación terrestre de telemetría y el equipo de lanzamiento se preparaban en el aeropuerto Williams Field, ubicado a unos 15 km al este. Para el 31 de diciembre, la carga útil se transportó al sitio de lanzamiento. En el aeródromo se instaló en un garaje disponible donde se sometió a otra serie de calibraciones y comprobaciones, operando continuamente durante varios días.

El 6 de enero, dos días antes del lanzamiento, la carga útil se sometió a una prueba completa del sistema que resultó satisfactoria, por lo que la fecha de lanzamiento prevista se fijó para las 4:00 h, hora local, del 8 de enero.

Se realizaron las comprobaciones finales de la cuenta atrás y se comprobó que todos los sistemas estaban en orden. A las 11:05 h el director de lanzamiento ordenó que se inflara el globo y a las 12:15 h, en condiciones casi perfectas, finalmente se lo pudo lanzar utilizando el método dinámico. Aproximadamente 140 minutos después del lanzamiento, GRAD alcanzó una altitud de flotación de 36,1 km. Durante las primeras 19 horas de vuelo, el globo permaneció dentro del rango de 360 km de la estación de telemetría en Williams Field. Luego continuó hacia el oeste y se perdió por debajo del horizonte siguiendo el paralelo 78.

Al tercer día de la misión, aunque el vuelo se desarrollaba sin problemas, era evidente que algo habia salido mal con la energía eléctrica del experimento. Así, se instaló la estación de telemetría en un LC-130 disponible y partió de Williams Field para encontrarse con el globo sobre el casquete polar cerca de la base soviética de Vostok. El equipo tenia dos opciones: terminar el vuelo en las cercanías de su posición actual, con buenas posibilidades de una recuperación rápida. Asumiendo un daño mínimo en el impacto, las fuentes de alimentación defectuosas podrían reemplazarse en Williams Field y GRAD podría lanzarse nuevamente esa misma temporada. Por otro lado, al permitir que el vuelo continuara en su trayectoria, circunnavegaría el Polo Sur por primera vez en la historia, alcanzando un hito importante para el balonismo científico, pero perdiendo la oportunidad de un nuevo lanzamiento.

Finalmente se decidió que los datos de la supernova tenían mayor prioridad que un vuelo histórico, por lo que la misión fue terminada a las 11:00 horas local del 11 de enero, luego de desplazarse 1440 km desde la base de lanzamiento en una trayectoria hacia el oeste. La carga útil tardó unos 15 minutos en descender. Una vez en tierra, se suponía que el paracaídas debía soltarse de la carga útil, pero el sistema falló y al no poder despegarse, por efecto del viento arrastró la góndola varios metros a través de la nieve. Sin embargo, la falla no fue tal: el sistema de liberación estaba destinado a armarse solo por debajo de los 10,000 pies de altitud (para evitar una liberación accidental de la carga útil en vuelo). Lo que el equipo no habia tenido en cuenta que era que la altura de la meseta en el que GRAD descendió era de más de 12,000 pies, lo que significaba que el sistema de seguridad nunca llegó a activar el mecanismo de separación del paracaídas.

El 12 de enero, el equipo de recuperación de la carga útil, después de una búsqueda de casi dos horas, finalmente detectó el lugar del impacto. Aterrizaron la aeronave LC-130 y comenzaron a preparar la góndola para introducirla en la parte trasera de la misma. Podian trabajar solo por cortos periodos de tiempo, tirando de la góndola a mano -con la única ayuda de un SkiDoo- y respirando oxígeno para no desmayarse debido a la altura. Finalmente en una hora lograron poner GRAD dentro del LC-130, y luego de una larga corrida sobre la nieve para alcanzar la velocidad de despegue, la aeronave logró elevarse con su carga.

La aventura terminó a las 0000 h hora local del 13 de enero, cuando finalmente aterrizaron de regreso en Williams Field.

CONCLUSION

Mientras que la parte de vuelo en globo de la misión se desarrolló a la perfección, el experimento en sí había tenido problemas.

Diez horas y cincuenta minutos en la misión, el voltaje de salida de una de las fuentes de poder del escudo BGO falló, disminuyendo la supresión de fondo introduciendo picos de contaminantes no deseados en los espectros. Seis horas después, esa falla dejó la mitad del escudo inoperable, por lo que para sus estudios, los científicos restringieron el análisis de su conjunto de datos a la parte inicial del vuelo cuando GRAD estaba completamente operativo.

El primer análisis detectó líneas de rayos gamma asociadas a las transiciones de 847 kev y 1238 kev en FE (56) a partir de la desintegración radiactiva del CO (56). También se detectaron características anisotrópicas en el fondo.

Varios logros en el campo de los globos estratosfericos son dignos de mención para esta misión:

- El lanzamiento por primera vez de un globo de gran porte en la Antártida.
- Aunque el vuelo duró solo tres días, se demostró la factibilidad de vuelos circumpolares de 12 a 14 días de duración.
- Se demostró el seguimiento del globo usando el sistema de navegación por satélite ARGOS.
- Se desarrolló y utilizó por primera vez un enlace de datos entre un globo en vuelo y una estación de telemetría aerotransportada.

Referencias externas

Imágenes de la misión