Mercurius

MERCURIUS

De verovering van Mercurius

 

Mercurius "plays it hard to get"

 

Als je de planeet Mercurius wilt zien, moet je geduld hebben. De grote astronoom Nikolaus Kopernikus beklaagde zich aan het eind van zijn leven erover dat hij in het vaak mistige Polen de kleine planeet nog nooit aan de ochtend- of avondhemel had mogen aanschouwen. Persoonlijk heb ik vele malen in mijn leven tevergeefs staan turen om er een glimp van op te vangen. Maar op een dag had ik dan toch geluk. Zes jaar geleden attendeerde een collega mij op een aankondiging in de nieuwsbrief van Govert Schilling van het zeldzaam helder verschijnen van de planeet aan de westelijke avondhemel net na het ondergaan van de Zon. Staande bij het tuinhek zag ik Venus staan sprankelen. Als om dit te onderstrepen hing er een dunne horizontale reep wolk onder. Ook net boven die wolk, maar iets verderop naar het Noorden twinkelde Mercurius. Ik hief een juichkreet aan. Als gevolg hiervan werd ik door een aantal buren bezorgd gadegeslagen, maar dat had ik er graag voor over.

Net als Venus is Mercurius een binnenplaneet. De baan van een binnenplaneet ligt tussen de baan van de Aarde en de Zon in. Daardoor zien we Mercurius altijd in de buurt van de Zon. Staat de Zon hoog aan de hemel, dan wordt de Mercurius overstraalt en zien we de kleine planeet niet. We krijgen alleen maar een kans om Mercurius te zien als de Zon net onder de evenaar staat en Mercurius erboven. Dat is 's ochtends bij zonsopkomst en 's avonds bij zonsondergang. In onze contreien wordt het waarnemen dan weer bemoeilijkt door bewolking en ander ongerief.

 

Oude tijden

 

De oude volkeren die in droge streken woonden hadden geen last van bewolking boven de kim en Mercurius werd door hen gezien. Dat betekent nog niet dat Mercurius ook als planeet werd herkend, want ja, een planeet, wat was dat nou helemaal voor een woestijnbewoner van 5000 jaar geleden? Die woestijnbewoner interpreteerde het lichtje binnen zijn toenmalige belevingswereld als een god, net als de andere dwaalsterren.

 

Mercurius de God

 

De planeet Mercurius speelde een belangrijke rol in het religieuze leven van veel oude beschavingen. De eerste geregistreerde waarneming zou zijn gedaan door Timocharis in 265 voor Christus.

Als Mercurius 's ochtends vroeg vóór de Zon opkomt staat de planeet aan de westelijke kant van de Zon. Als Mercurius 's avonds na de Zon ondergaat staat hij aan de oostelijke kant. De vroege Grieken geloofden dat de oost- en west-elongaties van Mercurius twee afzonderlijke objecten vertegenwoordigden die ze Hermes (avondster) en Apollo (ochtendster) noemden.

Het heeft een tijdje geduurd, maar op een gegeven moment snapten de Grieken dat Mercurius één ding was. Eenmaal zo ver, kreeg de planeet zijn definitieve functie, nl de boodschapper van de goden en de god van de schemering en de dageraad die het opstaan van Zeus aankondigde.

Waarschijnlijk zijn het de oude Egyptenaren die als eersten ontdekten dat Mercurius om de zon cirkelde. Mercurius werd door hen Sabko genoemd, maar ook wel herkend als de kwade ster van Set die omhoog vluchtte voordat hij door de zonnegod Amun-Ra bij zonsopgang werd overwonnen en zou verdwijnen in de schittering van de rijzende zonnegod.

Voor de Germaanse volkeren stond Mercurius bekend als Wodan, en onze woensdag is afgeleid van het originele Wodan's Dag. De huidige naam Mercurius is rechtstreeks afgeleid van de Latijnse naam Mercurius, de Romeinse benaming voor de Griekse god Hermes. De Franse middelste dag van de week heet Mercredi en dat is ook afgeleid van Mercurius. Dezelfde dag in de week hoort dus in verschillende taalgebieden bij vergelijkbare goden. De Nederlandse benaming voor Mercurius is Kwik en Mercurius werd dan ook gezien als een kwieke god. De planeet beweegt zich dan ook opmerkelijk snel rond de Zon in vergelijking met de andere planeten. De God Mercurius wordt vaak afgebeeld met vleugels aan zijn voeten.

 

De eerste echte Astronoom

 

Rond 400 v.Chr. doet de eerste echte astronoom, de Griek Eudoxus zo goed en zo kwaad als het gaat wetenschappelijk onderzoek. Van hem wordt gedacht dat hij zijn kennis over planetaire beweging van de Egyptenaren heeft geleerd. Bij hem zie je nog steeds verwarring tussen ochtend- en avondsterren. Hoewel hij de periodieke tijden van de planeten Mars, Jupiter en Saturnus vrij nauwkeurig vermeldde, had hij veel fouten met tijden voor Mercurius en Venus. Dit stond in schril contrast met zijn uitspraken over de synodische perioden: dat wil zeggen, de tijdspanne tussen het terugkeren van planeten in dezelfde configuratie aan de hemel van de aarde. Zijn synodische perioden waren vrij nauwkeurig voor Venus en Mercurius, evenals voor de buitenste planeten. Zo toonde hij nauwkeurige kennis van de tijd dat de sterren in de avond en de ochtend zouden verschijnen, maar leek hij onwetend van hun ware bewegingen rond de zon.

 

Evenzo herkenden oude astronomen Venus niet als één planeet. Als Venus ten oosten van de zon en na zonsondergang in de westelijke hemel werd gezien, heette de planeet Hesperus. Als Venus ten westen van de zon voor haar opkwam, heette de planeet Phosphorus. In de 12e eeuw voor Christus noemde Homerus Venus maar beschouwde haar als twee objecten. Van Pythagoras wordt gezegd, dat hij rond 500 v.Chr. begreep dat Phosphorus en Hesperus één ding was.

 

Tegen ongeveer 350 v.Chr., de tijd van Plato, herkenden de Grieken de ochtend- en avondsterren als één planeet. De moderne naam, Mercurius, is de Romeinse naam voor Hermes, de boodschapper van de goden. De Griekse Hermes wordt nog steeds wel gebruikt als het bijvoeglijk naamwoord Hermiaan, hetgeen betekent van of met betrekking tot Mercurius.

 

Het zijn de Romeinen geweest die Mercurius zijn naam geven. Ze nemen Mercurius over van de Grieken, die daar andere functies bekleedde. Bij de Romeinen is Mercurius in het begin de boodschapper-god en wordt later en passant ook maar even de god van de kleinhandel. Prachtig vind ik het plaatje aan de gevel van het Rockefeller Center. De vleugels aan de voeten heeft hij om sneller te kunnen vliegen van de ene God naar de andere en misschien ook wel om de hitte een beetje te kunnen wegwapperen.

 

Van god naar wetenschap

 

In de loop van de geschiedenis ontstaat naast de religieuze interpretatie de wetenschappelijke belangstelling voor Mercurius. Tot de komst van de telescoop kunnen astronomen niet veel meer dan de aanwezigheid aan de ochtend- of avondhemel registreren en de regelmatigheid ervan aantonen.

 

Na de uitvinding van de telescoop in, 1608 door de Middelburgse lenzenslijper Hans Lipperhey, kunnen de schijngestaltes en de Mercuriusovergang worden waargenomen, maar Mercurius is te ver weg en te zelden zichtbaar en wordt te vaak overstraald door de Zon, om grondig onderzoek aan de oppervlakte toe te staan.

Pas als de mens heeft leren reizen in de ruimte kan in de jaren zeventig van de twintigste eeuw een missie naar Mercurius worden uitgerust. Deze Mariner 10 vlucht is echt een epische reis. De technologie is het neusje van de zalm en het team, dat de vlucht begeleidt, wordt gevormd door super gedreven, zeer deskundige wetenschappers. De resultaten zijn overdonderend. In één klap verveelvoudigt de kennis over Mercurius. Aan het begin van de eenentwintigste eeuw stuurt de NASA opnieuw een ruimtesonde naar de kleine planeet, Messenger. Ook deze missie levert een schat van wetenschappelijke gegevens op. En of het niet op kan: in 2018 staat de reis gepland van de Bepi Colombo, een ruimterobot van de ESA.

 

De missie van Mariner 10

 

Mariner 10 is het eerste ruimteschip dat Mercurius heeft bezocht. Aan het begin van de jaren zestig overweegt de NASA een aantal planetaire missies, met name naar Mars. In 1962 wordt echter ontdekt dat de onderlinge posities van Aarde, Venus en Mercurius in 1970 en 1973 zodanig zullen zijn, dat een ruimtevaartuig dat op Venus gericht wordt, door het zwaartekrachtveld van deze planeet kan worden meegetrokken om het op een nieuw traject naar Mercurius te sturen. Dus met een enkel ruimtevaartuig moet het mogelijk zijn om twee planeten te bezoeken met een minimaal verbruik van brandstof aan boord. De lancering dient in 1970 of 1973 plaats te vinden omdat de volgende economische kans pas halverwege de jaren tachtig is. Daarom is er een gevoel van urgentie om een missie naar Venus en Mercurius zo snel mogelijk te ontwerpen. In 1968 keurt de Ruimtevaart afdeling van de National Academy of Sciences een missie goed om in 1973 naar Venus en Mercurius te vliegen. Eind 1969 gaat het Congres er mee akkoord dat in 1970 met de ontwikkeling wordt begonnen.

 

Missie concept

 

Het is nooit de bedoeling van deze missie geweest om in een baan om Mercurius te geraken, omdat Mariner 10 zo snel voorbij Mercurius (50 km per seconde) zal racen, dat het een enorme hoeveelheid brandstof zou vergen om het ruimtevaartuig hiervoor voldoende te vertragen. De afmeting van de remraket zou gelijk moeten zijn aan een middelgrote lanceerraket uit die tijd. Om zo'n vehikel vanaf de Aarde te lanceren heb je een Saturnus V raket nodig, de grootste en krachtigste raket die ooit gebouwd is. Daardoor zou het een verschrikkelijk dure onderneming worden. De overheid heeft echter streng verordonneerd: het moet goedkoop!

In die tijd weten de wetenschappers niets van het afremmen van een ruimtevaartuig via het zwaartekrachtveld van Venus. Bovendien wordt deze missie opgevat als een eerste verkenning van Mercurius die in een aantal jaren opgevolgd zal kunnen worden door een verbeterde versie. Het zou meer dan 35 jaar duren voordat het volgende ruimtevaartuig Mercurius gaat verkennen.

 

De noodzakelijke zwaartekracht assistentie

 

De zwaartekracht-assistentie techniek is nodig om de missie die economisch aanvaardbaar te maken. Met deze techniek kan men van een ruimtevaartuig richting en snelheid wijzigen zonder gebruik te maken van waardevolle brandstof, waardoor tijd wordt bespaard en de wetenschappelijke instrumenten meer mogen wegen. Zo kan het Mariner-ruimtevaartuig worden gelanceerd met een aanvaardbaar laadvermogen door een relatief goedkope Atlas-Centaur-raket. Als een rechtstreekse vlucht naar Mercurius wordt gebruikt, is een veel grotere en duurdere Titan IIIC / Centaur nodig, en de hoge snelheid waarmee het ruimteschip Mercurius passeert laat slechts een korte tijd toe om gegevens te verzamelen. Niet alleen zorgt de zwaartekracht-assistentie ervoor dat een ruimtevaartuig twee planeten kan verkennen, het levert ook een bonusbezoek aan Mercurius op de terugweg op.

Tijdens een conferentie in februari 1970 op Cal Tech in Pasadena, Californië, over Mercurius en over de Venus-Mercurius-missie, merkt de hemelmechanicus Giuseppe Colombo op, dat nadat Mariner 10 langs Mercurius gevlogen is, het in een baan rond de Zon kan raken met een omlooptijd die bijna het dubbele is van de omlooptijd van Mercurius. Hij suggereert dat een tweede Mercurius-ontmoeting daarom zou kunnen worden bereikt. Een gedetailleerde studie van het traject door JPL bevestigt de suggestie van Colombo en toont aan dat door zorgvuldig het punt te selecteren waar langs Mercurius vliegt (het flyby punt), er een zwaartekrachtcorrectie kon worden gemaakt die het ruimtevaartuig ongeveer zes maanden later terugbrengt naar Mercurius. In feite worden meerdere ontmoetingen met Mercurius mogelijk. Het aantal hangt af van de brandstof die beschikbaar is voor de koerscorrecties en de controle van de stand waarin het ruimtevaartuig zich bevindt. Mariner 10 zal uiteindelijk drie ontmoetingen met Mercurius hebben voordat de brandstof op is.

De naam van Giuseppe Colombo is hiermee gevestigd. De volgende ESA-missie naar Mercurius is zelfs naar hem genoemd of liever gezegd naar zijn troetelnaam: Bepi Colombo. Het idee van de zwaartekracht-assistentie komt oorspronkelijk van het Oekraïense genie Yuri Kondratyuk, wiens naam helaas niet gevestigd is, behalve dan in Oekraïne. In mijn blog heb ik twee posts gewijd aan deze schitterende man met helaas een tragisch leven.

 

Het vluchtplan: een smal lanceervenster

 

Het missieplan voor Mariner 10 is het meest complexe plan voor welke planetaire missie tot die tijd dan ook. Het vereist een lancering ergens tussen 16 oktober en 21 november, 1973. NASA kiest 3 november zodat het ruimtevaartuig Mercurius ontmoet op een moment dat het de planeet half verlicht (in kwadratuur) kan waarnemen.

 

In juni 1968 rondt de Space Science Board van de National Academy of Science een studie voor planetaire exploratie af, waarin de missie naar Mercurius via Venus wordt goedgekeurd. De raad adviseert voor de lancering gebruik te maken van de mogelijkheden in 1973 en stelt enkele wetenschappelijke experimenten voor die op de missie zouden kunnen worden uitgevoerd.

 

NASA verleent in 1969 goedkeuring voor de missie die voortvloeit uit deze aanbeveling. Al in een vroeg stadium wordt de wetenschappelijke gemeenschap erin betrokken zo dat wetenschappers kunnen bijdragen aan de beslissingen betreffende het ontwerp van het ruimtevaartuig en de selectie van zijn subsystemen. De mogelijkheid van een eventueel later conflict tussen missie beperkingen en wetenschappelijke behoeften zou daardoor kunnen worden verminderd.

 

De National Aeronautics and Space Administration selecteert een groep wetenschappers om de verschillende disciplines te vertegenwoordigen die betrokken zouden zijn bij de wetenschappelijke lading van een missie naar Mercurius via Venus. In september 1969 wordt officieel een wetenschappelijke stuurgroep opgericht. Deze stuurgroep heeft tot taak doelstellingen voor een goede wetenschappelijke missie voor te stellen en deze missie te plannen binnen strakke monetaire beperkingen. Daarnaast neemt de stuurgroep de coördinatie van de eisen van teams voor de individuele instrumenten voor haar rekening en neemt ze deel aan projectontwerp voor missie, ruimtevaartuig en vluchtoperaties.

 

In januari 1970 is bij JPL een projectbureau Mariner Venus / Mercurius opgericht, onder leiding van projectmanager Walker E. Giberson. Experimenten worden geselecteerd in juli 1970 en in juli 1971 wordt over een contract onderhandeld met het Boeing, voor het ontwerp en fabricage van twee ruimtevaartuigen: een vlucht-ruimtevaartuig en een test-ruimtevaartuig.

 

Overzicht van de missie

 

Het missieplan voorziet in de lancering van het ruimtevaartuig met een Atlas SLV-3D / Centaur D-1A raket tussen 16 oktober en 21 november 1973. Zo’n tijdspanne heet een lanceervenster. Vanuit dit lanceervenster kan het ruimteschip Venus bereiken tussen 4 februari en 6 maart en Mercurius tussen 27 en 31 maart 1974.

 

Het voorgestelde traject leunt op het zwaartekrachtveld van Venus om het vluchtroute en de snelheid van het ruimtevaartuig te veranderen ten opzichte van de zon, zodat de snelheidsreductie het ruimtevaartuig dichter bij de zon zou brengen en derhalve de baan van Mercurius zou oversteken op exact die tijd die nodig is om de planeet te ontmoeten. De kortste afstanden van Mariner 10 tot Venus en Mercurius zouden respectievelijk 5000 en 1000 km zijn. Dat is dus net zoiets als vanuit Amsterdam met een dartpijltje net langs de top van de Eiffeltoren gooien!

 

Om aan de eisen van de zwaartekrachtslinger-techniek te voldoen, moet Mariner 10 worden gelanceerd op een baan rond de Zon die de planeet Venus met hoge precisie zou onderscheppen. Het ruimteschip kan niet voldoende brandstof meenemen voor zeer grote manoeuvres na de ontmoeting met Venus, en het traject naar Venus eiste nieuwe niveaus van nauwkeurigheid. Tenminste twee manoeuvres om het traject te corrigeren zijn nodig tussen Aarde en Venus en nog twee tussen Venus en Mercurius. De scheervlucht langs Venus moet binnen een marge van 400 km tot stand gebracht worden, anders kan geen ontmoeting met Mercurius plaatsvinden.

 

In de plannen begint de missie met de lancering vanaf het Kennedy Space Center. De kort daarna uitgezette Centaur-motor plaatst het ruimtevaartuig voorlopig in een 25 minuten durende rond de Aarde.

 

De Centaur zou dan een tweede keer ontbranden om Mariner-10 in een richting tegengesteld aan de baanrichting van de Aarde drijven. Deze richting is nodig om het ruimtevaartuig met een lagere snelheid ten opzichte van de zon dan de baansnelheid van de aarde te voorzien, waardoor het ruimtevaartuig naar binnen in het zwaartekrachtveld van de zon kan worden getrokken om zo Venus te bereiken.

 

Een paar maanden nadert Mariner Venus vanuit de donkere kant van de planeet, gaat vervolgens over de zonovergoten kant en komt, door Venus vertraagd, dichter bij de Zon voor een rendez-vous met Mercurius.

 

Het Mariner 10 ruimtevaartuig

 

Meer dan een decennium van evolutie van Mariner-technologie wordt met het Marriner ruimtevaartuig voortgezet. Dit was de zesde van een serie die in 1962 met Mariner Venus begon en omvatte Mariner Mars 1964, Mariner Venus 1967, Mariner Mars 1969 en Mariner Mars Orbiter 1971

 

In overeenstemming met de vroegere ruimtevaartuigen gebruikte het een achthoekige hoofdstructuur, zonnecellen en een batterij voor elektriciteit, drie-assige stabilisatie en controle door stikstofraketten, sterrenhemelreferenties door ster- en zonsensoren, S-band radio voor opdrachten, telemetrie en sturen, een hoog bereik antenne, een antenne met laag bereik, een scan platform om wetenschappelijke instrumenten op te bevestigen en een hydrazine raket aandrijfstelsel voor traject correcties. Een scan platform is een aanhangsel aan het ruimtevaartuig waarop instrumenten worden gemonteerd die verschillende richtingen op moeten kunnen wijzen, zoals fotocamera’s. Die richting moet dan onafhankelijk kunnen zijn van de stand van het ruimtevaartuig. Scanplatforms zijn tegenwoordig uit de mode in de ruimtevaart wegens hun grote massa en de kans op mechanische problemen. In plaats daarvan zijn het de ruimtevaartuigen zelf die roteren om camera’s te richten die rechtstreeks op het ruimteschip zijn gemonteerd.

 

Het ruimteschip was ontworpen om te passen in de lanceringsconfiguratie van de Atlas SLV-3D / Centaur D-IA lanceringsraket. Eenmaal in de ruimte worden sensoren en zonnepanelen ontvouwt.

 

De figuur hiernaast toont de globale indeling van belangrijke delen van de Mariner-10: basisstructuur, energie- en thermische controle, telecommunicatie en data, navigatie en oriëntatie en wetenschappelijke lading.

 

Het startgewicht van de ruimtetuig is 533,6 kg, inclusief 29 kg hydrazine drijfgas en 30 kg koppelingsapparatuur aan het lanceringsvoertuig. De lading van wetenschappelijke instrumenten weegt 78 kg.

 

Subsystemen omvatten apparatuur om elektrische signalen te moduleren en demoduleren, stroom te genereren, op te slaan en te distribueren, vluchtgegevens te verwerken, de ruimtevaartuighouding te beheren, mechanische apparaten los te maken, het ruimteschip aan te drijven, de temperatuur te beheersen, ruimtevaartuigonderdelen af te stellen en te richten, gegevens op het ruimteschip op te slaan en communiceren met de aarde. Er was ook een centrale computer en een sequencer. Al deze subsystemen, samen met mechanische apparaten die gebruikt werden voor implementatie, ondersteunen de wetenschappelijke experimenten.

 

Enkele wijzigingen aan het Marinerconcept waren nodig voor de missie naar Mercurius, voornamelijk omdat het ruimteschip de Zon zoveel dichter zou moeten naderen dan vorige planetair ruimtevaartuigen. Dit vereist verbeterde manieren om het ruimteschip te isoleren van zonnestraling. Thermische controle van de nieuwe Mariner moest bescherming bieden tegen zonne-intensiteiten die wel tot 4 1/2 keer sterker zijn dan die voorkomen op de Aarde. Thermische controle vereist, naast een groot zonnescherm, lamellen en beschermende thermische dekens, het vermogen om de zonnepanelen rond een lengteas te draaien. Door de hoek te veranderen waarop het zonlicht op de panelen scheen, werden de zonnecellen op een geschikte temperatuur gehouden - ongeveer 115 °C - als de ruimtevaartuig dichter bij de Zon kwam. Beide panelen zouden tot een hoek van 76 graden ten opzichte van volle blootstelling aan de zonnestraling kunnen worden gesteld en individueel in kleine stappen kunnen worden gedraaid. Andere belangrijke ontwerpwijzigingen ten opzichte van vorige Mariners voorzagen in de verbetering van de verwerkingscapaciteit van data.

 

Alle subsystemen zijn ontworpen op basis van bestaande Mariner technologie. De krappe budgetten op het programma hebben het nodig gemaakt om bewezen technieken te gebruiken om de ontwikkelingskosten laag te houden. Dit wordt bereikt door bestaande hardware of bestaande ontwerpen toe te passen met de nodige wijzigingen, waarbij het beste gebruik wordt gemaakt van vroegere Mariner-hardware-units door bestaande prototypes te upgraden en veel van de traditionele onderdelen te elimineren.

 

Naarmate de planning voor de missie gedetailleerder wordt en meerdere bezoeken aan Mercurius in een uitgebreide missie waarschijnlijker, worden ontwerpbeslissingen voor het ruimtevaartuig dienovereenkomstig genomen. Hoewel het basisontwerp oorspronkelijk niet was bedoeld voor een dergelijke verlengde missie, worden ontwerpalternatieven gekozen die het niet zouden uitsluiten, zodra die missie als een mogelijkheid is geaccepteerd,. Dus, wanneer alternatieven zich voordoen en de kosten hetzelfde zijn, wordt dat alternatief gekozen dat de uitgebreide missie bevoordeelt. Belangrijke beslissingen die uiteindelijk van groot belang waren voor de mogelijkheid om meerdere bezoeken aan Mercurius mogelijk te maken waren de hoeveelheid te vervoeren stikstofgas nodig voor de stabilisatie en de mogelijkheid om de panelen in beide richtingen te draaien om de paneelhoeken te verlagen of te verhogen, waardoor operatie buiten de eerste Mercurius-ontmoeting mogelijk is.

 

Mariner 10’s lading

 

Als de ontwerpers van de epische reis van Mariner 10 bezig zijn is er zo weinig bekend van Mercurius, dat de missie in feite de eerste blik van de mens is op deze binnenste planeet van het zonnestelsel. De wetenschappelijke doelstellingen voor de missie zijn om zo nauwkeurig mogelijk Mercurius te onderzoeken met zeven experimenten:

 

video,

infrarood radiometrie,

extreme ultraviolet spectroscopie,

magnetometer,

plasma,

geladen deeltjes en

radiogolfvoortplanting.

 

Dezelfde experimenten worden gebruikt om ook Venus te verkennen, waarmee kennis wordt vermeerderd die al verkregen is uit eerdere U.S. en U.S.S.R. vluchten. De exploratie van Venus wordt een beetje beperkt door de trajectvereisten voor het bereiken van het primaire doel, Mercurius. Omdat Mariner 10 op weg is naar Mercurius kan er geen occultatie-experiment worden uitgevoerd bij Venus.

 

Enige uitleg over occultatie is misschien op zijn plaats. Occultatie is het verschijnsel dat een hemellichaam achter een ander hemellichaam verdwijnt. Bekende voorbeelden hiervan zijn zons- en maansverduistering. Op zijn pad langs het firmament bedekt de Maan steeds sterren en dit is ook occultatie. Als een ster langs het randje van de Maan gaat kunnen we hierdoor leren hoe dat randje eruit ziet.

 

Om de beste wetenschappelijke resultaten te verkrijgen, worden de doelstellingen van elk experiment vastgesteld en wordt de omgeving van Mercurius onderzocht om richtpunten vast te leggen, maar natuurlijk ook de weg er naar toe te ontwerpen zodat elk experiment ook goed kan worden uitgevoerd. Van groot belang is een vliegroute die de planeet plaatst tussen het ruimtevaartuig en de zon, en ook tussen het ruimtevaartuig en de aarde, zodat respectievelijk zonne- en aarde-occultatie kan worden waargenomen.

 

Studie van het effect van de planeet op het plasmagas en de magnetische velden van de zon ("zonnewind") vereist een zonne-occultatie, evenals het peilen van de atmosfeer van Mercurius door het experiment met ultraviolette occultatie. Door de afname van de intensiteit van ultraviolette zonnestraling te observeren terwijl Mercurius en zijn atmosfeer deze blokkeren, kan een meting van deze atmosfeer worden verkregen. Er is occultatie van de aarde nodig om de doorgang van radiosignalen van het ruimtevaartuig naar de aarde te observeren totdat deze wordt afgesloten door de planeet, en weer bij het opduiken van achter de planeet. Dit verschaft informatie over de straal van de planeet, zijn atmosfeer en ionosfeer.

 

Om de beste wetenschappelijke resultaten te verkrijgen, worden de doelstellingen van elk experiment vastgesteld en wordt de omgeving van Mercurius onderzocht om richtpunten vast te leggen, maar natuurlijk ook de weg er naar toe te ontwerpen zodat elk experiment ook goed kan worden uitgevoerd. Van groot belang is een vliegroute die de planeet plaatst tussen het ruimtevaartuig en de zon, en ook tussen het ruimtevaartuig en de aarde, zodat respectievelijk zonne- en aarde-occultatie kan worden waargenomen.

 

Studie van het effect van de planeet op het plasmagas en de magnetische velden van de zon ("zonnewind") vereist een zonne-occultatie, evenals het peilen van de atmosfeer van Mercurius door het experiment met ultraviolette occultatie. Door de afname van de intensiteit van ultraviolette zonnestraling te observeren terwijl Mercurius en zijn atmosfeer deze blokkeren, kan een meting van deze atmosfeer worden verkregen. Er is occultatie van de aarde nodig om de doorgang van radiosignalen van het ruimtevaartuig naar de aarde te observeren totdat deze wordt afgesloten door de planeet, en weer bij het opduiken van achter de planeet. Dit verschaft informatie over de straal van de planeet, zijn atmosfeer en ionosfeer.

 

Om de grootst mogelijke hoeveelheid informatie te verkrijgen met tele-detectie-apparaten, draagt Mariner 10 meer wetenschappelijke instrumenten (Fig. 3-1) dan de meeste vorige Mariner-ruimtevaartuigen. Een magnetometer meet magnetische velden, een plasma-analysator meet de ionen en elektronen van de zonnewind, en kosmische-straaltelescopen verschaffen informatie over kosmische zonnestralen en galactische stralen. Het hoofddoel van deze instrumenten is om over een planeet te leren door de effecten ervan op het interplanetaire medium te bestuderen.

 

Een infrarood-radiometer meet de temperaturen van de wolken van Venus en het oppervlak van Mercurius. Twee onafhankelijke ultraviolette instrumenten (die licht meten voorbij het paarse uiteinde van het spectrum) analyseren de planetaire atmosferen. Eén van die twee instrumenten, bevestigd aan het lichaam van het ruimtevaartuig, wordt gebruikt bij Mercurius om sporen van atmosfeer langs de randen van de zichtbare schijf van de planeet te zoeken. Een tweede instrument, samen met de televisiecamera's op een scanplatform gemonteerd, kan op commando worden gericht. Deze "airglow" -spectrometer wordt gebruikt om beide planeten te scannen, op zoek naar aanwijzingen voor waterstof, helium, argon, neon, zuurstof en koolstof. Bij Venus zoekt het naar specifieke gassen en tijdens de cruisefase zoekt het naar bronnen van ultraviolette straling afkomstig van hete sterren en gaswolken in de Melkweg. Er worden ook metingen uitgevoerd aan het gasvormige omhulsel rond de komeet Kohoutek.

 

Een complex van twee televisiecamera’s met acht filters vormen de basis van het beeldvormende experiment. Deze camera's zijn in staat om zowel een smalle als een brede kijk op Venus en Mercurius te nemen. Door het scanplatform te delen met de airglow-spectrometer, wordt het beeldcomplex bestuurd door het commando van de aarde. Naast het nemen van foto's in verschillende kleuren, meten deze camera's ook hoe het licht gepolariseerd is, waarnemingen bedoeld om informatie te geven over de samenstelling van de wolken van Venus en het oppervlak van Mercurius.

 

Een radio-experiment gebruikt de signalen die door het ruimtevaartuig naar de aarde werden verzonden. Door het volgen van de signalen van het ruimtevaartuig bepalen onderzoekers hoe het ruimtevaartuig wordt beïnvloed door de zwaartekrachtvelden van de planeten. Aan de hand van deze informatie stellen ze de vorm van elke planeet vast en bepalen ze of er afwijkingen in het zwaartekrachtsveld zijn.

 

Door te analyseren wat er met de radiosignalen gebeurt als ze dicht langs de randen van de planeet passeren, kunnen geleerden de atmosfeer van Venus onderzoeken en nagaan of er eigenlijk wel een atmosfeer op Mercurius is.

 

Infrarood radiometer

 

Dit instrument meet temperaturen op het oppervlak van Mercurius en de wolken van Venus door thermische (infrarood) straling te bemonsteren. Van waarnemingen van thermische emissie door Mercurius werd verwacht dat ze informatie verschaffen over de gemiddelde thermische eigenschappen, grootschalige en kleinschalige oppervlakte-anomalieën en oppervlakteruwheid. Het was bekend dat temperatuurvariaties op Mercurius groot zouden zijn, als gevolg van intensieve verwarming aan de dagzijde en de langzame rotatieperiode van 58,6 dagen, waardoor de nachtzijde het meeste van zijn warmte kan uitstralen. Meting van warmteabsorptie en verlies over de gebieden van de terminator (schaduwlijn) zou indirect bewijs kunnen leveren van de aard van het oppervlaktemateriaal: bijvoorbeeld of het zand, grind of rots is. Bij Venus werd van het instrument verwacht dat het cloud-top helderheidstemperaturen bij een hogere resolutie zou bieden dan vanaf de aarde kan worden bereikt of door eerder ruimtevaartuigen was bereikt.

 

De infraroodmeter wordt bevestigd aan het lichaam van het ruimtevaartuig aan de zonovergoten kant, met openingen beschermd tegen het directe zonlicht onder een thermische deken. Het instrument (rechts) is gebaseerd op eerdere radiometers die meevlogen met de Mariners naar Mars tussen 1969 en 1971, maar in plaats van de reflecterende optica van de eerdere radiometers, maakte het nieuwe instrument gebruik van twee Cassegrain-telescopen met speciale langegolflengtefilters. Dit maakte observaties mogelijk bij langere golflengten en verhoogde gevoeligheid.

 

Plasmawetenschappen

 

Waarnemingen van de snelheid en de richtingverdelingen van de normale zonnewindbestanddelen in de buurt van Mercurius waren nodig om de interactie van de zonnewind met de planeet te begrijpen. Waarnemingen van de zonnewind in de baan van Venus waren ook belangrijk, omdat er geen vorig ruimtevaartuig in deze regio was doorgedrongen. Daarom werden continue metingen gepland vanuit de baan van de aarde naar de baan van Mercurius. Daarnaast was het doel van het experiment om eerdere observaties van de interacties van de zonnewind met Venus te verifiëren en uit te breiden en om de rol van elektronen in deze interacties te verduidelijken.

 

Instrumentatie voor het experiment bestaat uit twee detectoren op een door een motor aangedreven platform (rechts). De hoofddetector, die naar de zon gericht is, bestaat uit een paar elektrostatische analysators. De hulpdetector, die van de zon af is gericht, is een enkele elektrostatische analysator. Het vooruitkijkende apparaat heet de elektrostatische analysator voor scannen, terwijl de naar achteren gerichte inrichting de scanning-elektronenspectrometer wordt genoemd. De eerstgenoemde meten positieve ionen en elektronen, de laatste alleen elektronen.

 

Het belang van het onderzoeken van de interactie van de zonnewind met de planeten en de variatie van de wind met afstand binnen de baan van Venus, blijkt uit het grote team van onderzoekers voor dit experiment geselecteerd uit zeven onderzoeksorganisaties.

 

De zonnewind is een uitbreiding van de corona van de zon in de interplanetaire ruimte. Het is een volledig geïoniseerd gas dat bestaat uit gelijke aantallen positief geladen deeltjes (meestal protonen) en negatieve elektronen. Dit geïoniseerde gas of plasma beweegt zich radiaal naar buiten toe vanaf de zon met een zeer hoge snelheid, honderden kilometers per seconde. Het magnetische veld van de zon wordt door het plasma naar buiten gedragen en wordt in een spiraalvormige configuratie gebogen door een combinatie van de radiale beweging van het plasma en de rotatie van de zon. Als je denkt aan het plasma als een heet, geïoniseerd gas, hebben de ionen en elektronen twee soorten bewegingen: een massasnelheid omdat ze allebei naar buiten stromen vanaf de zon, en een thermische snelheid omdat het gas heet is. Voor de protonen is de massasnelheid veel hoger, ongeveer een factor 10, dan de gemiddelde thermische snelheid; voor elektronen is de situatie precies omgekeerd. Voor een waarnemer op het ruimtevaartuig lijken de positieve ionen bijna direct van de zon te komen, terwijl de elektronen bijna uniform uit alle richtingen komen. Om de eigenschappen van het plasma te bestuderen, worden de gecombineerde experimenten aan het einde van een korte giek gemonteerd, op een platform waardoor het plasma-experiment rechts of links over een hoek van 60 graden boven en onder de satelliet van het ruimtevaartuig kan worden gescand.

 

Magnetisch veldexperiment

 

Het experiment met het magnetische veld bestaat uit twee sensoren met drie assen die zich op verschillende posities langs een boom van 6,1 m bevinden. De afbeelding rechts toont een magnetometer die op een naar buiten gerichte boom is gemonteerd, samen met een opengewerkt aanzicht van een sensor. De twee sensoren op de giek zijn biaxiale fluxgate-magnetometers. Elke sensor wordt beschermd tegen directe zonnestraling door een zonnescherm en een thermische deken. Het doel van de twee sensoren was om de gelijktijdige meting mogelijk te maken (op verschillende afstanden van het ruimtevaartuig) van het magnetisch veld, dat de som is van het zwakke magnetische veld in de ruimte (en in de buurt van de planeten) en het magnetische veld van het ruimtevaartuig zelf . De binnenboord magnetometer, die ongeveer twee keer zo dicht bij het ruimtevaartuig is als de buitenboordsensor, is gevoeliger voor veranderingen in het magnetisch veld van het ruimtevaartuig, met als gevolg dat deze verstoringen kunnen worden geïsoleerd en verwijderd van de metingen van de buitenboordsensor.

 

 

In de interplanetaire ruimte is het magnetisch veld typisch ongeveer 6 gamma (vergeleken met de sterkte op de evenaar van de aarde op het oppervlak van 30.000 gamma). Daarentegen wordt waargenomen dat het veld van het ruimtevaartuig, gemeten aan de buitenboordsensor, aanzienlijk varieert in richting en intensiteit tijdens de missie, slingerend van 1 tot 4 gamma. Deze variatie in het veld van het ruimtevaartuig toont het belang aan van twee sensoren om het veld van het ruimtevaartuig uit het gemeten veld te verwijderen. Naast de planetaire waarnemingen, zijn waarnemingen aan magnetische velden belangrijk bij het bestuderen hoe het interplanetaire plasma varieert met de afstand tot de zon en hoe dit plasma buitenwaarts van de zon beweegt. De metingen van plasma en magnetische velden ondersteunen elkaar en hun correlatie is een belangrijke en gevoelige test voor de consistentie tussen de twee wetenschappelijke instrumenten.

 

Geladen deeltjes

 

Dit experiment is ontworpen om geladen deeltjes met hoge energie - atomaire kernen - te observeren over een breed bereik in energie en atoomnummer. Het instrument bestaat uit twee delen, een hoofdtelescoop en een energiezuinige telescoop, beide gemonteerd op het lichaam van het ruimtevaartuig. Tijdens de cruise meet het "geladen deeltjes experimen"t kosmische straling vanaf de Zon en vanuit de Ruimte. kosmische stralen met als doel het bepalen van het effect van de heliosfeer (de zon) op kosmische stralen die van elders uit de melkweg het zonnestelsel binnenkomen.

 

 

 

ONDER CONSTRUCTIE

 

 

Tijdens de ontmoeting met Mercurius was het experiment om te zoeken naar geladen deeltjes in de buurt van Mercurius. Het effect van zonnevlammen op de flux van geladen deeltjes was gecorreleerd met metingen van ruimtevaartuigen van Pioneer in het binnenste en buitenste zonnestelsel, evenals IMP-ruimtetuigen (Interplanetary Monitoring Platform) die rond de aarde cirkelden om te bepalen hoe zonnedeeltjes zich in interplanetaire ruimte voortplanten. Het instrument wordt getoond in Fig. 3-6. De twee telescopen zagen er 45 tot 50 graden uit ten opzichte van de lijn van het ruimtevaartuig naar de zon, met een gezichtsveld van 70. De energiezuinige telescoop maakte de afzonderlijke detectie mogelijk van relatief lage energie protonen in het bereik van 0,4 tot 9 MeV (miljoen elektronvolt) en alfadeeltjes (heliumkernen) in het bereik van 1,6 tot 25 MeV.

 

De hoogenergetische telescoop detecteerde elektronen in het bereik van 200 KeV (duizend elektronvolt) tot 30 MeV, protonen met een energie van meer dan 0,55 MeV en uniek gedetecteerde alfadeeltjes met een energie van meer dan 40 MeV. Beide telescopen waren in staat om energetische kernen met atoomnummers tot zuurstof te detecteren.

 

De telescopen leken erg op de telescopen die in Pioneer 10 en 11 naar het buitenste zonnestelsel werden gevlogen. Sterker nog, toen Mariner Mercury bereikte voor een eerste ontmoeting, was Pioneer 10 meer dan vijf keer de afstand van de aarde tot de zon en Pioneer 11 3,5 maal de afstand van de zon. Aldus zorgde het ruimtevaartuig voor een ongekend aantal radiale metingen van de modulatie van de kosmische straalflux door de heliosfeer.

 

Extreem ultraviolet

 

Dit experiment bestond uit twee onafhankelijke instrumenten: een vaste op zonne-energie lijkende occultatiespectrometer, gemonteerd op het lichaam van het ruimtevaartuig, en een airglow-instrument, gemonteerd op het scanplatform. Het doel van het experiment [25] was om planetaire atmosferen te analyseren en tijdens de cruise de distributie van waterstof en helium te meten. Lyman-alfa-straling die van buiten het zonnestelsel komt.

 

De zoektocht naar een atmosfeer op Mercurius vertegenwoordigde een primaire wetenschappelijke doelstelling van dit experiment. De extreme ultraviolette spectrometers verschaften twee benaderingen voor deze zoektocht. De eerste observeerde de occultatie van de zon door de schijf van Mercurius; de ander scande door de atmosfeer op zowel heldere als donkere ledematen op zoek naar emissie uit de neutrale bestanddelen waterstof, helium, koolstof, zuurstof, argon en neon, met golflengtes van 304 tot 1659 angstrom.

 

Deze elementen werden geselecteerd voor onderzoek op basis van theoretische voorspelling van de meest waarschijnlijke bestanddelen van de vermoedelijk zwakke atmosfeer van Mercurius.

 

De occultatiespectrometer (figuur 3-7) werd ingesteld om te reageren op vier spectrale banden, gecentreerd op 475, 740, 810 en 890 angström, waarbij de relatief hoge solaire ultravioletintensiteit en de grote absorptiedwarsdoorsnede van alle gassen in deze spectrale regio zou combineren om uiterst gevoelige metingen van de atmosfeer van Mercurius te verschaffen, onafhankelijk van de samenstelling ervan.

 

Het airglow-experiment (figuur 3-8), naast een meting van het relatieve overvloed van de kiezers gezocht in de atmosfeer van Mercurius, maakte ook belangrijke waarnemingen bij Venus en tijdens de kruisingsfase tussen de planeten. De hoekdimensie van het gezichtsveld van het airglow-instrument werd geselecteerd om resolutie mogelijk te maken tot ongeveer één schaalhoogte van het zwaarste verwachte atmosferische bestanddeel aan de arm van de planeet (argon), waardoor gegevens worden verschaft over de structuur evenals de samenstelling van de planetaire atmosfeer.

 

Celestial Mechanics and Radio Science

 

Deze experimenten waren gebaseerd op wiskundige analyse van de radiosignalen afkomstig van het ruimtevaartuig, gebaseerd op radio-tracking van het ruimtevaartuig en analyse van de effecten van de planetaire atmosferen op het radiosignaal.

 

In het experiment met de hemelmechanica moesten de massa- en zwaartekrachtkenmerken van zowel Mercurius als Venus worden bepaald aan de hand van het effect van elke planeet op het voorspelde traject van het ruimtevaartuig. Deze gegevens zouden ook schattingen van de interne samenstelling en dichtheid van de planeten opleveren.

 

Het occultatie-experiment (figuur 3-9) observeerde veranderingen in de radiogolven van de zender van het ruimtevaartuig terwijl ze door de atmosfeer van Venus en Mercurius trokken op weg naar de op aarde gebaseerde ontvangers toen Mariner de planeten passeerde vanaf de aarde.

 

Gassen in een atmosfeer breken en verspreiden een radiosignaal en door deze effecten te meten, kunnen wetenschappers de druk en temperatuur van de atmosfeer berekenen. De aanwezigheid van een ionosfeer wordt onthuld door zijn speciale effecten op de karakteristieken van het radiosignaal. Het afsnijden van het radiosignaal terwijl het het oppervlak van de planeet schuurt, levert een meting op voor het nauwkeurig bepalen van de straal van de planeet. Omdat de dikke atmosfeer van Venus het radiosignaal buigt en het op een pad rond de planeet opsluit, werd de high-gain antenne van Mariner langs de ledemaat gestuurd om te compenseren voor de verwachte buiging om diepere penetratie van de radiogolven door de planeet mogelijk te maken. atmosfeer. Het experiment gebruikte twee frequenties om nauwkeuriger informatie te geven over de atmosfeer van Venus en de inter ... .... planetair medium dan verkrijgbaar is met een enkele frequentie.

 

Televisie-experiment

 

Het televisiesysteem is gecentreerd rond twee vidiconcamera's, elk uitgerust met een filterwiel met acht posities. De vidicons werden bevestigd aan telescopen die op een scanplatform waren gemonteerd en die beweging in verticale en horizontale richting mogelijk maakten voor een nauwkeurige richtactie op de planetaire oppervlakken. Deze telescopen met gevouwen optiek (Cassegrain) waren nodig om fotografie met een kleine hoek en een hoge resolutie te leveren (Fig. 3 -10). Ze waren krachtig genoeg om advertenties in de krant te lezen vanaf een afstand van 400 meter (een [27] kwart mijl). Een aanvullend optisch systeem dat op elke camera was gemonteerd, maakte de acquisitie van een groothoek beeld van mindere kwaliteit mogelijk. Overgaan naar de groothoekfotografie werd gedaan door een spiegel op het filterwiel te verplaatsen naar een positie in het optische pad van het hulpsysteem.

 

Naast groothoekmogelijkheden omvatten de filterwielen blauwe banddoorlaatfilters, ultravioletpolarisatiefilters, minus ultraviolet hoogdoorlaatfilters, heldere openingen, ultraviolet banddoorlaatfilters, defocussinglenzen voor kalibratie en gele banddoorlaatfilters.

 

Een sluiterblad controleerde de belichting van het 9,8-bij 12,3 mm grote beeldvlak van het vidicon gedurende een interval dat kon worden gevarieerd van 3 msec tot 12 sec. Het op het lichtgevoelige oppervlak van het vidicon gevormde lichtbeeld produceerde een elektrostatische lading evenredig aan de relatieve helderheid van punten binnen het beeld. Tijdens het lezen van de vidicon scande een elektronenbundel de achterzijde van de vidicon en neutraliseerde een deel van de lading om elektrische stroomvariaties te produceren die evenredig waren aan de puntlading die op dat moment werd gescand.

 

Deze analoge signalen geproduceerd uit het vidicon-uitleesproces werden elektronisch gedigitaliseerd als 832 discrete punten of beeldelementen (pixels) per scanlijn en gepresenteerd aan het vluchtgegevenssysteem in de vorm van 8-bits elementen voor transmissie. Elk tv-frame - één afbeelding - bestond uit 700 van deze vidicon-scanlijnen. Alle timing- en besturingssignalen, zoals framestart, lijnstart / stop, framewijze, sluitertijd open / dicht en filterwielstap, werden geleverd door de systemen aan boord van het ruimtevaartuig.

 

Het televisie-experiment had als doel gegevens te verstrekken om de volgende wetenschappelijke studies van Mercurius mogelijk te maken: bruto fysiografie, straal en vorm van de planeet, morfologie van lokale kenmerken, rotatie en cartografie, fotometrische eigenschappen en regionale kleurverschillen. Voor Venus was het experiment gericht op het verkrijgen van gegevens over de visuele wolkenstructuur, schaal en stratificatie, en de ultraviolette markeringen en hun structuur en bewegingen. Het televisie-experiment zocht ook naar satellieten van Mercurius en Venus en werd gebruikt voor doelen van kansen zoals Comet Kohoutek.

 

 

 

 

 

 

 

 

De poolse astronoom Nikolaus Kopernikus. Van zijn belangrijke boek, De revolutionibus orbium coelestium, bevindt zich een eerste druk in de Librije in Zutphen.

Mercurius en Venus aan de avondhemel op 18 maart 2018. Dit filpje is gemaakt door NASA.

Venus en Mercurius zijn binnenplaneten. Daarom gaan ze, vanaf de Aarde gezien, altijd met de Zon op en onder.

Een afbeelding van Mercurius de boodschapper God op de gevel van het Rockefeller Center.

De Italiaanse geleerde Giuseppe Colombo

Klik op de figuur voor een vergroting

Het hoofdkwartier van de National Academy of Science in Washington

Gedeelte van de kaft van een studie, afgerond in 1968, naar de mogelijkheden van planetaire ontdekkingstochten door de National Academy of Science. De studie is gratis te downloaden van hun website.

Klik voor grotere afbeelding

Globale indeling van de belangrijkste onderdelen

Komeet Kohoutek

De infraroodmeter meet de temperaturen van de wolken van Venus en van het oppervlak van Mercurius.

Het plasma-wetenschapsexperiment wordt uitgevoerd door twee detectoren die op een scanplatform zijn gemonteerd. De elektrostatische analyse-inrichting bestaat uit drie halfbolvormige platen gericht op de zon om binnenkomende elektronen en positieve ionen te meten.

COPYRIGHT ZUTPHENSZONNESTELSEL © | ALL RIGHTS RESERVED | WEBSITE DOOR HANS SCHIPPER