GRACE () — совместная спутниковая миссия NASA и Германского центра авиации и космонавтики, направленная на изучение гравитационного поля Земли и его временны́х вариаций, связанных, в частности, с процессами изменения климата.
GRACE картографирует гравитационное поле, измеряя положение двух идентичных спутников, находящихся на полярной орбите на высоте 500 км. Два спутника (NSSDC ID: 2002-012A и 2002-012B) были запущены с космодрома Плесецк 17 марта 2002 года.
Спутники непрерывно обмениваются радиосигналами в микроволновом диапазоне, что позволяет с микронной точностью отслеживать изменения расстояния между ними. Собственное движение и ориентация спутников регистрируются с помощью приёмников GPS, акселерометров и звёздных датчиков. Кроме того, спутники оснащены уголковыми отражателями для использования в спутниковой лазерной дальнометрии.
Спутники пролетают над каждым участком Земли приблизительно раз в месяц, что позволяет прослеживать естественные перемещения масс (преимущественно связанные с круговоротом воды в природе).
Концепция миссии Концепция эксперимента была предложена в середине 1970-х годов, но общий технологический уровень не позволил приступить к реализации. Идея эксперимента заключалась в следующем: два идентичных спутника (часто называемых Том и Джерри, в честь героев одноимённой серии короткометражных мультфильмов, которые постоянно преследуют друг друга), летящих друг за другом по одной орбите с дистанцией 220 км, должны чрезвычайно точно измерять дистанцию между собой. Двигаясь по полярной орбите спутники будут испытывать гравитационное воздействие неоднородностей масс на поверхности и под поверхностью Земли. Для отслеживания колебаний спутников относительно друг друга на борту должны быть расположены акселерометры и дальномеры высокой точность. Так дистанцию требовалось измерять с точностью порядка 10 микрон. Предполагалось, что изменения гравитационного поля Земли позволят оценивать перемещения водных масс в океанах, в том числе глубинные и поверхностные течения, обмен масс между ледниками и океанами, а также геологические процессы под поверхностью Земли. Ожидалось, что пространственное разрешение гравитационных карт, полученных на основе данных эксперимента GRACE, составит около 300 км — это примерно в 100 раз выше существовавших на момент старта программы моделей. Сами гравитационные карты планировалось обновлять раз в месяц. Данные, полученные в ходе миссии GRACE должны были свободно предоставляться научным организациям разных стран..
Некоторые аналитики предполагали возможность использования данных, полученных в ходе эксперимента GRACE, в военных целях: коррекции топографических карт, а также полётных заданий баллистических и крылатых ракет; уточнения геофизических условий в районах потенциальных целей; обработка статистики по навигации космических аппаратов с помощью системы GPS; анализ особенностей влияния атмосферы на использование GPS для управления ракетами-носителями и баллистическими ракетами на активном участке.
Кроме основного эксперимента планировалось проводить дополнительный эксперимент по просвечиванию атмосферы радиосигналами в GPS-диапазоне. Цель эксперимента заключалась в исследовании влияние поглощения и рефракции на характеристики сигнала, принимаемого космическими аппаратами.
Высказывались мнения, что этот эксперимент так же может нести военную направленность: предполагалось что обработка статистики по навигации спутников с помощью системы GPS и выявление особенностей влияния атмосферы на использование GPS поможет в разработке систем управления ракет-носителей и баллистических ракет.
В целом по результатам миссии GRACE можно было ожидать создания теоретической базы прикладных военных исследований в следующих областях: Использования нетрадиционных подходов в решении известных задач обнаружения подводных лодок в погружённом состоянии; Изучения возможности регистрации наличия и изменений массово-пространственных характеристик массивных подземных объектов; Получения опыта комплексной обработки данных разнородных по составу и задачам комплексов наблюдения для создания интегрированных методик оценки состояния и прогноза геофизической обстановки на театрах военных действий и в глобальном масштабе.
Разработка Проект GRACE финансировался в рамках программы НАСА по перспективным исследованиям (ESSP). В июле 1996 года начался сбор заявок на участие в программе ESSP. Всего было подано 44 заявки из которых 12 (в том числе GRACE) вышли в финальную часть. Среди критериев отбора была готовность осуществить запуск на орбиту в течение 36 месяцев с момента начала финансирования. 18 марта 1997 года были объявлены три победителя, среди которых оказался проект GRACE. За реализацию проекта отвечали американские и немецкие разработчики: Потсдамский центр имени Гельмгольца, Dornier Satellitensysteme GmbH (DSS) (дочернее предприятие EADS Astrium) с немецкой стороны и JPL, Space Systems/Loral и Университет Техаса с американской. Общее управление проектом было возложено на JPL. Ключевой особенностью финансовой стороны проекта стала максимальная передача полномочий от НАСА к исполнителям проекта. НАСА передало исполнителям полную ответственность за выбор подрядчиков и разработчиков научного и полётного оборудования. В свою очередь JPL несла ответственность за успешность эксперимента и предоставления научной информации международному научному сообществу. Проект предполагал работу космической части в течение 5 лет с момента запуска на орбиту.
В сентябре 1997 года программа перешла на «этап Б» — изготовление космических аппаратов. За изготовление спутников отвечала компания Dornier Satellitensysteme. Эта же компания обеспечивала подготовку аппаратов к запуску и интеграцию с ракетой-носителем.
В июле 1999 года проект GRACE попал в число программ, чьё бюджетирование было сокращено в рамках крупнейшего с 1981 года секвестра бюджета НАСА, но команда сумела преодолеть возникшие трудности.
Космический аппарат Для реализации эксперимента GRACE было изготовлено два космических аппарата GRACE 1 и GRACE 2. За постройку космических аппаратов отвечала немецкая компания Astrium при участии Space Systems/Lora, а общее управление проектом осуществляла JPL.
За основу обоих космических аппаратов была взята спутниковая платформа FlexBus. Платформа была разработана для миссии CHAMP и доработана под требования GRACE: с носа платформы был убран магнитометр, улучшены аэродинамические свойства платформы, проведена работа по оптимизации баллистического коэффициента, центры масс акселерометров были размещены на линейном продолжении вектора давления потока во всех направлениях, были использованы системы перемещения центра масс для многократной регулировки его положения в ходе полёта.
Каждый космический аппарат имел размеры 3,1×1,94 м и массу 480 кг. Оборудование, находящееся на борту космических аппаратов, состояло из научных систем, систем ориентации и стабилизации и служебных систем. Все научные приборы монтировались на панель из композитного материала, имевшего малый коэффициент расширения — такое решение обеспечило необходимую точность измерения вне зависимости от количества солнечной радиации.
Научные системы Основным инструментом эксперимента GRACE является блок дальномера K-диапазона (, KBR), состоящий из четырёх ключевых элементов: USO — ультрастабильный осциллятор JHU/APL: прибор являлся основным источником несущей частоты и эталоном времени для спутников GRACE. KBR — рупорная антенна, которая являлась приёмником и передатчиком сигналов несущей частоты K-диапазона (24 ГГц) и Ka-диапазона (32 ГГц) на линии связи между спутниками. Sampler — элемент, который реконвертирует и сравнивает входящие фазы несущих частот K-диапазона (24 ГГц) и Ka-диапазона (32 ГГц). IPU — блок обработки научной информации, который осуществляет цифровую обработку сигналов K- и Ka- диапазонов и сигналов GPS, а также исполняет функции таймера для систем аппарата и обрабатывает информацию для кватернионов звёздной камеры.
Кроме KBR на борту были установлены несколько дополнительных антенн, использовавшихся в дополнительных программах. Для эксперимента по просвечиванию атмосферы использовалось несколько GPS-антенн. Основная антенна навигационных сигналов была расположена на верхней стороне космического аппарата и направлена в зенит. На тыльной стороне аппарата была установлена запасная антенна, направленная в надир. Спиральная антенна GPS — основная антенна эксперимента — была расположена на тыльной стороне спутников.
Для измерения не гравитационных сил, воздействовавших на космический аппарат, использовался акселерометр SuperSTAR, производства французской компании ONERA. Акселерометр включал блок датчиков (Sensor Unit, SU), который измерял ускорения, и блок интерфейса (Interface Control Unit, ICU), который фильтровал и обрабатывал цифровые сигналы акселерометра.
Для слежения за параметрами движения аппаратов на их надирной стороне были установлены лазерные уголковые отражатели (Laser Retro-Reflectors, LRR).
Системы ориентации и стабилизации Для ориентации в пространстве на борту космических аппаратов было размещено несколько датчиков. По левому и правому борту были установлены звёздные камеры (+Y, Y), которые отвечали за точное определение положения спутников. Для грубой ориентации использовался солнечноземной датчик, магнитометр Форстера и GPS-приёмники. Кроме датчиков ориентации на борту располагался гироскоп, произведён компанией , который отвечал за определение положения во время нештатных режимов работы спутника.
Для управления положением аппарат использовалось две системы приводов. Реактивная система из состояла из нескольких двигателей тягой 10 мН, производства компании , с сжатым азотом в качестве активного тела. Для хранения газа два баллона высокого давления были смонтированы вдоль главной оси космического аппарата. Для уменьшения расхода рабочего тела на ориентацию на борту аппарата были установлены шесть электромагнитных катушек с магнитным моментом 30 А·м² каждая.
Для управления спутниками по дистанции на тыльной стороне аппаратов размещались два двигателя орбитального маневрирования с тягой по 40 мН (рабочее тело — сжатый азот).
Для точного измерения не гравитационных сил, действующих на спутник, требовалось управлять центром масс космического корабля. Для приведения центра масс аппарата к центру масс акселерометра использовалась система балансировки: 6 механизмов балансировки масс MTM и блоком электроники системы балансировки MTE. Каждый из механизмов балансировки масс состоял из подвижной массы на шпинделе, а одна пара MTM обеспечивала балансировку вдоль одной оси космического аппарата.
Служебные системы Для обеспечения функционирования научных приборов и системы ориентации на борту спутника работало несколько служебных систем: OBDH — бортовая система обработки данных, которая состояла из центрального процессора и массива памяти. OBDH обеспечивала работу с научными и телеметрическими данными. RFEA — преобразователь данных с OBDH для передачи на наземный комплекс в S-диапазоне. Приёмопередатчик SZA RX/TX — для связи с наземным комплексом управления полётом. Основная мачта антенны S-диапазона была расположена с надирной стороны. На зенитной стороне располагались аварийные антенны приёмника и передатчика. Скорость передачи данных до 50 Мбит в сутки. PCDU — блок управления питанием космическим аппаратом.
Основной генерирующей частью системы электропитания были панели солнечных батарей, установленные на верхней и боковых сторонах корпуса. Для работы на затенённых участках орбиты использовались никель-водородные аккумуляторы ёмкостью 16 А·ч.
Для поддержания стабильной температуры на борту космических аппаратов использовались 64 нагревательных элемента, 45 резисторов и 30 термисторов.
Адаптер и обтекатель