Philae era un lander trasportato dalla sonda spaziale Rosetta. È stato sviluppato da un consorzio guidato dall'agenzia spaziale tedesca (DLR), da quella francese (CNES) e da quella italiana (ASI) e parte della missione Rosetta della Agenzia Spaziale Europea per effettuare un atterraggio sulla cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko. L'atterraggio è avvenuto il 12 novembre 2014, rendendo il lander il primo manufatto umano ad eseguire un atterraggio controllato sul nucleo di una cometa (o accometaggio). Il lander era originalmente indicato come RoLand.
Missione
Philae è stato sviluppato nell'ambito della missione Rosetta per eseguire osservazioni in situ del nucleo della cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, obiettivo della missione. Trasportato a destinazione a bordo della sonda madre, è stato progettato affinché fosse rilasciato da una quota di dalla superficie ed immesso direttamente su una traiettoria in caduta libera, al termine della quale avrebbe toccato il suolo ad una velocità di . Gli ammortizzatori presenti nelle gambe avrebbero avuto il compito di smorzare l'impatto ed impedire un rimbalzo che avrebbe potuto determininare la perdita nello spazio della sonda, considerando che la velocità di fuga dal nucleo della cometa è solo di circa 0,46 m/s. Il lancio di due arpioni e l'accensione di un razzo per ostacolare il rinculo avrebbero completato la sequenza ed assicurato Philae alla superficie.
Sulla superficie, Philae avrebbe caratterizzato «la composizione elementare, isotopica, molecolare e mineralogica del suolo; avrebbe caratterizzato le proprietà fisiche della superficie e del materiale al di sotto di essa, cercato indizi sulla struttura del nucleo e condotto misurazioni del campo magnetico e delle caratteristiche del plasma».
Era stata prevista una vita nominale di tre mesi, con stime ottimistiche di quattro o cinque mesi.
Caratteristiche tecniche
Il lander misura ed è realizzato in fibre di carbonio; la piattaforma che sostiene gli strumenti scientifici è supportata da una piastra centrale, che dà forma alla struttura. La massa totale è di , 21 dei quali di strumenti scientifici.
La generazione della potenza a bordo di Philae è affidata a due sistemi differenti. In una prima fase, della durata di circa 60 ore, il lander è stato alimentato dalla potenza erogata da una batteria primaria che immagazzinava di energia; in una seconda fase, sarebbe dovuto entrare in attività il sistema costituito dai pannelli fotovoltaici, che costituiscono il rivestimento esterno del corpo del lander, e da una batteria secondaria da 140 Wh di energia. A dal Sole, i pannelli solari avrebbero dovuto fornire una potenza di .
Le comunicazioni non sono avvenute direttamente con la Terra, ma utilizzano Rosetta come elemento di collegamento, in modo da ridurre il quantitativo di energia richiesto per il funzionamento di Philae.
Ampiezza di banda L'ampiezza di banda è la velocità con cui possono esser trasmessi i dati.
Per la missione nominale (discesa, atterraggio e 5 giorni di attività) era prevista la trasmissione di circa 235 Mbit di dati.
La disponibilità di banda nei giorni seguenti risulta ridotta a causa della minore energia disponibile da pannelli solari e batteria secondaria, per cui Philae può trasmettere, da progetto, circa 35 Mbit ogni giorno, a una velocità di circa , in pacchetti di 141 parole di (2256 bit).
Controllo termico Il controllo termico è attuato sia attivamente, tramite riscaldatori elettrici, che passivamente, tramite accumulatori di calore solare. Questi ultimi consistono in due fogli di TINOXR di ciascuno posizionati sul tetto della sonda, che sono in grado di fornire fino a di potenza termica agli apparati di bordo a dal Sole. Il sistema di controllo termico permette di mantenere gli apparati interni della sonda entro l'intervallo di temperature che ne permette l'operatività: Operatività parziale: −80 °C / +70 °C Operatività completa: −45 °C / +70 °C Ricarica batteria: da +5 °C A seconda della temperatura degli apparati e della potenza elettrica disponibile, il lander può trovarsi in vari stati operativi: Ibernazione (sull'orbiter) Attesa di risveglio (Attivato sotto i −51 °C; Disattivato sopra i −45 °C) Potenza sufficiente (Attivato sopra i −45 °C ma tensione sotto i ) Stand-by (Sopra i −45 °C, sopra i 18,5 V) Operativo (Attivato manualmente) Al 14 giugno 2015, dopo 211 giorni di assenza di comunicazioni con la Terra, le telemetrie di bordo hanno rilevato una temperatura di bordo di .
Potenza ed energia La potenza elettrica è fornita agli apparati di bordo tramite connessione umbilicale con l'orbiter (durante il viaggio), dalle batterie di bordo e/o dai pannelli solari.
Batterie Primaria:
Tecnologia Li/SOCl2;
32 celle da 3,65 V/13 Ah, in configurazione 8S4P (29,2 V/52 Ah);
1518,4 Wh iniziali (1400 nominali), 1000 Wh a fine vita;
corrente massima /stringa;
non ricaricabile dal lander;
utilizzabile tra 0 °C e +60 °C;
dotata di riscaldatori indipendenti.
Secondaria:
Tecnologia Li-ion;
28 celle da 3,6 V/1,5 Ah ciascuna, raggruppate in due batterie distinte, ciascuna con configurazione diversa:
- il blocco 1 è in configurazione 7S2P (25,2 V/3 Ah/75,6 Wh) a griglia, con ogni singola cella connessa in serie e parallelo alle altre;
- il blocco 2 è invece composto di due serie distinte in parallelo, ognuna composta di 7 celle.
La capacità totale dei due blocchi insieme è di 151,6 Wh a inizio vita, che diventano 130 Wh a fine vita.
Le tensioni minime e massime di cella sono 2,5 V e 4,2 V, che a livello di batteria si traducono in 17,5 V e 29,4 V, valori oltre i quali la batteria si danneggia.
Il bilanciamento delle celle del blocco 1 è comandato manualmente. Il blocco 2 non è invece collegato al circuito di bilanciamento e monitoraggio in quanto aggiunto in un secondo momento al progetto a causa dell'aumentata necessità di energia.
La durata di vita prevista è di 500 cicli al 100%, dove per "ciclo" si intende l'immissione nella batteria del 100% della sua capacità; ciò significa che se la batteria viene scaricata solo per il 10% e poi ricaricata, non si conteggia un ciclo di ricarica, ma 1/10 di ciclo; caricando e scaricando per 10 volte il 10% della batteria si ottiene un ciclo completo.
La batteria può essere ricaricata quando ha una temperatura compresa tra 0 °C e +45 °C, mentre può essere utilizzata a temperature comprese tra −30 °C e +60 °C. La batteria è dotata di riscaldatori indipendenti comandati dalle TCU - Thermal Control Units.
L'autoscarica prevista durante il viaggio dalla Terra alla cometa è del 2% dopo 3 mesi a −30 °C, 7% dopo 1 mese a +20 °C o 12% dopo 6 mesi a +20 °C; per compensarla è utilizzato un sistema di mantenimento connesso ai circuiti di ibernazione dell'orbiter; durante il viaggio la batteria è mantenuta a uno stato di carica del 10% (21,7 V, 3,1 V/cella) per preservarla.
La quantità di corrente in uscita dalla batteria durante l'utilizzo è indicata dalla telemetria PSSH_C_SBat_DCH, mentre la corrente di ricarica è indicata dalla telemetria PSSH_C_SBat_CH. Le tensioni delle singole celle sono indicate dalle telemetrie PSSH_V_SBat_CELLx, con x=1..7
Pannelli solari I 6 pannelli solari di cui dispone Philae (5 verticali sui lati e uno orizzontale sul tetto) sono progettati per produrre una potenza di picco di 32 Wp a distanza di 3 UA dal Sole, e una potenza media di 6- nell'arco della giornata, che dura circa 6 ore (il periodo di rotazione totale della cometa è di circa 12 ore); a seconda dell'orientamento del lander rispetto al Sole, la produzione di energia stimata a 3 UA può variare tra 36,4 e 47,7 Wh/giorno.
L'intensità della radiazione solare sui pannelli solari di Rosetta e Philae varia da un valore di 0,11 SC a distanza di 3 UA dal Sole (novembre 2014) a un valore di 0,69 SC a una distanza di 1,2 UA (perielio, 13 agosto 2015); ciò significa che al momento del risveglio di Philae i suoi pannelli solari potevano contare su un'intensità di radiazione solare 6 volte superiore rispetto al momento dell'atterraggio, ma su una durata dell'insolazione pari a circa 2 ore e 15 minuti, rispetto alle 6 ore di progetto (37,5%), a causa dell'orientamento non orizzontale della sonda e della presenza di ostacoli circostanti.
Al 15 giugno 2015 la potenza effettivamente disponibile era di 13 W all'alba e 24 W a mezzogiorno locale.
Sistema di atterraggio
Philae è dotato di un particolare carrello di atterraggio, equipaggiato con viti di ancoraggio sulle tre zampe e con due arpioni nella parte centrale, aventi il compito di trattenere il lander ed evitarne eventuali rimbalzi durante la procedura di atterraggio; più che di atterraggio vero e proprio, infatti, trattasi di un attracco o rendez-vous spaziale, considerato che la gravità della cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko è circa 1/ di quella terrestre.
Ogni arpione è costituito da un proiettile in rame-berillio, un sistema di espulsione pirotecnico, un rocchetto di cavo e un sistema di riavvolgimento del cavo basato su un motore brushless. Il lancio del primo arpione è comandato automaticamente al rilevamento del contatto di una delle tre zampe con il suolo: il proiettile viene espulso a una velocità di () da un meccanismo a gas compresso a 300 bar, che permette fino a g di accelerazione; lo sparo ha una durata di e il pistone una corsa di ; subito dopo viene attivato il meccanismo di riavvolgimento per serrare la sonda alla cometa, richiamando il proiettile a sé alla velocità di (1,1 km/h). La forza esercitata dal meccanismo di ritenuta è regolabile su 8 step tra 1 e .
In caso il primo arpione fallisca, viene lanciato un secondo arpione. L'arpione ha a disposizione 2,5 metri di cavo; se per qualche motivo non dovesse fare presa entro questa distanza, un apposito meccanismo provvede a dissipare l'energia cinetica in eccesso senza danneggiare il lander.
Sul proiettile dell'arpione è installato un accelerometro che misura accelerazione e decelerazione al momento dello sparo e dell'impatto; è presente anche un sensore di temperatura. L'arpione è in grado di penetrare materiali che offrano una resistenza compresa tra e 5 MPa.
Il proiettile è dotato di due tipi di sporgenze e uncini, adatti a mantenere la presa sia su materiali duri che morbidi.
Il meccanismo di sparo dell'arpione è stato prodotto da Pyroglobe GmbH e Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics (MPE).
Insieme a un penetratore elettromagnetico che viene estroflesso a una distanza di un metro dal lander, i due arpioni costituiscono il sistema MUPUS.
Strumentazione
APXS Spettrometro per analizzare la composizione chimica della superficie sotto il lander e le sue possibili alterazioni durante l'avvicinamento al Sole. COSAC Trova e identifica le molecole organiche complesse. Fondamentale per la ricerca di vita. PTOLEMY Mini-laboratorio, costituito da un Cromatografo dei gas e spettrometro di massa con risoluzione media, per la ricerca delle componenti chimiche più complesse. CIVA Microcamere per foto panoramiche e spettrometro per studiare composizione, struttura e albedo della superficie. ROLIS Fornisce immagini e dati durante la discesa e foto ad alta risoluzione del luogo di atterraggio. CONSERT Una radio sonda per studiare la struttura interna del nucleo della cometa. MUPUS Misura densità e proprietà termiche e meccaniche della superficie e della immediata sotto superficie della cometa. È dotato di 3 modalità di funzionamento corrispondenti a tre livelli di potenza progressivi, che consentono di operare in sicurezza il martello. L'imprevista durezza della superficie ha portato i ricercatori a ricorrere ad un quarto livello di potenza, superiore agli altri ed indicato come Desperate Mode, che potrebbe aver parzialmente danneggiato lo strumento. ROMAP Magnetometro per lo studio del campo magnetico della cometa e dell'interazione cometa/vento solare.