Cluster este o misiune a Agenției Spațiale Europene (ESA) care folosește patru sateliți pentru a studia interacțiunile dintre vântul solar și magnetosfera Pământului. După ce sateliții au fost distruși în timpul zborului inaugural eșuat al Ariane 5 în 1996, aceștia au fost reconstruiți identic și lansați în 2000. Misiunea, planificată inițial pentru doi ani, a fost prelungită de mai multe ori și este programată să continue până în septembrie 2024, când se așteaptă ca primul satelit să reintre în atmosferă.
Cei patru sateliți identici, fiecare cu o masă de aproximativ , zboară într-o formație piramidală pe o orbită polară înaltă, extrem de eliptică. Acest lucru permite studiul tridimensional al fenomenelor fizice complexe care au loc în regiunile de la limita magnetosferei, unde se ciocnește vântul solar. Fiecare satelit transportă unsprezece instrumente, inclusiv un magnetometru, un instrument de măsurare a câmpului electric, cinci instrumente de măsurare a undelor și trei instrumente de măsurare a particulelor.
Misiunea, împreună cu SoHO, dedicată studiului vântului solar și al Soarelui, este una dintre cele patru pietre de temelie ale programului științific Horizon 2000 al Agenției Spațiale Europene.
Context
În 1983, programul științific al Agenției Spațiale Europene (ESA) s-a confruntat cu o criză financiară gravă. Bugetul relativ mic alocat la înființarea agenției (13% din bugetul total) a fost insuficient pentru a acoperi numeroasele depășiri de costuri care afectau diversele misiuni în curs de pregătire, ceea ce a dus la întârzieri și anulări. Fizicianul Roger Bonnet, numit în același an să conducă programul științific al agenției, a decis să restructureze fundamental planificarea acestei activități prin definirea unei strategii pe termen lung. Până la sfârșitul anului 1983, ESA primise 77 de propuneri de misiuni, 35 în domeniul științei Sistemului Solar și 33 legate de astronomie. După revizuire și în urma unei reuniuni finale care a avut loc la Veneția pe 30 mai și 1 iulie 1984, programul științific al Agenției Spațiale Europene, numit „Horizon 2000”, a fost fixat pentru următorii 20 de ani. Trei clase de misiuni sunt identificate în funcție de costul lor: cele mai grele, numite „pietre de temelie”, reprezintă doi ani din bugetul alocat misiunilor științifice, adică 400 de milioane de ECU (circa , în vremea aceea). Una dintre pietrele de temelie este perechea misiunilor SoHO/Cluster, care are sarcina de a studia magnetosfera Pământului, Soarele și interacțiunile sale prin intermediul vântului solar..
Obiective științifice 250px|thumb|O ilustrare a magnetosferei terestre. Misiunile științifice care au precedat misiunea Cluster au constat doar din unul sau doi sateliți și nu au putut furniza datele necesare pentru a studia cu precizie limitele magnetosferei. Deoarece plasma care alcătuiește magnetosfera nu poate fi accesată în prezent folosind tehnici de teledetecție, trebuie utilizați sateliți pentru a o măsura in situ. Patru nave spațiale permit oamenilor de știință să efectueze măsurători 3D și cu rezoluție temporală, necesare pentru a crea o imagine realistă a interacțiunilor complexe ale plasmei existente între regiunile magnetosferei și între magnetosferă și vântul solar.
Cei patru sateliți identici din seria Cluster studiază magnetosfera Pământului, care ne protejează de vântul solar. Sateliții Cluster măsoară, în trei dimensiuni, date despre coliziunea vântului solar cu câmpul magnetic al Pământului, variațiile acestuia în timp și efectele asupra Pământului din spațiul apropiat și asupra atmosferei sale, inclusiv aurorele polare.
Fiecare satelit transportă o încărcătură științifică utilă formată din unsprezece instrumente concepute pentru a studia scara structurilor plasmatice mici în spațiu și timp în regiuni cheie ale plasmei: vântul solar și arcul de șoc, magnetopauza, cuspizii polari/cornetele polare, coada magnetosferei și zona aurorală. Arcul de șoc (vezi ilustrația) este regiunea din spațiu dintre Pământ și Soare unde vântul solar încetinește de la viteze supersonice la viteze subsonice înainte de a fi deviat în jurul Pământului. Prin traversarea acestei regiuni, Cluster efectuează măsurători pentru a caracteriza procesele care au loc la arcul de șoc, cum ar fi originea anomaliilor de flux fierbinte și transmiterea undelor electromagnetice prin arcul de șoc și magnetopauza de la vântul solar. În spatele arcului de șoc se află stratul subțire de plasmă care separă câmpurile magnetice ale Pământului de cele ale vântului solar, cunoscut sub numele de magnetopauză. Această limită se schimbă constant din cauza presiunii în continuă schimbare a vântului solar. Întrucât presiunile din interiorul vântului solar (presiunea plasmei) și magnetosferei (presiunea magneticăÎn electromagnetism, presiunea magnetică se referă la o mărime asociată câmpului magnetic, asemănându-se în anumite situații unei forțe de presiune, de unde și numele său.) ar trebui să fie echilibrate, magnetosfera ar trebui să fie o limită de netrecut. Cu toate acestea, s-a observat că plasma din vântul solar traversează magnetopauza și penetrează magnetosfera. Măsurătorile efectuate din patru puncte de observație de către sateliții Cluster permit să se urmărească mișcarea magnetopauzei și să se elucideze mecanismul prin care plasma pătrunde din vântul solar.
Istoricul proiectului Lansarea Sateliții Cluster au fost finalizați în 1995, dar au fost distruși pe 4 iunie 1996, în timpul zborului inaugural eșuat al unei rachete Ariane 5 destinate plasării lor pe orbită. Agenția Spațială Europeană a decis atunci să finanțeze reconstrucția celor patru sonde. Vehiculul de lansare Soiuz a fost ales pentru inserarea orbitală. Cluster II sur le site d'EADS Astrium ed. Paschmann, G.; Schwartz, S.J.; Escoubet, C.P.; Haaland S. Outer Magnetospheric Boundaries: Cluster Results, Springer, Dordrecht, The Netherlands, 2005. Noua misiune a fost numită Cluster II. Obiectivele sale au fost coordonate cu misiunea spațială Double Star, dezvoltată de agenția spațială chineză CNSA, care studia aceleași fenomene și transporta șapte instrumente identice cu cele de la bordul sateliților Cluster.
Pe 16 iulie 2000, o rachetă Soiuz-Fregat, inaugurând utilizarea etajului superior Fregat, a fost lansată de la Cosmodromul Baikonur și a plasat doi dintre sateliții Cluster (Salsa și Samba) pe o orbită de așteptare.În domeniul astronauticii, o orbită de așteptare este o orbită utilizată în general în timpul lansării unei nave spațiale și pe care aceasta este plasată temporar. De acolo, aceștia au manevrat autonom pentru a atinge o orbită de 19.000 pe 119.000 de kilometri, cu o perioadă de 57 de ore. Trei săptămâni mai târziu, pe 9 august 2000, o altă rachetă Soiuz-Fregat a lansat cei doi sateliți Cluster rămași (Rumba și Tango) pe orbite similare. Primul satelit, Rumba, este poreclit și „Phoenix”, deoarece a fost construit în mare parte din piese de schimb rămase după eșecul misiunii inițiale. După desfășurarea încărcăturii utile, primele măsurători științifice au fost efectuate pe 1 februarie 2001.
ESA a organizat un concurs pentru a denumi sateliții din Cluster, care a atras participanți din numeroase țări. Ray Cotton din Marea Britanie a câștigat cu numele Rumba, Tango, Salsa și Samba. Orașul natal al lui Ray, Bristol, a primit machete ale sateliților în semn de recunoaștere a denumirii și a conexiunii cu sateliții.
Desfășurarea misiunii Orbitele extrem de eliptice ale sateliților ating un perigeu de aproximativ 4 raze terestre (RE, unde 1 RE = 6.371 km) și un apogeu de 19,6 RE. Fiecare orbită este parcursă în aproximativ 57 de ore. Centrul European de Operațiuni Spațiale (ESOC) achiziționează date telemetrice și distribuie online datele științifice de la sonde. Cei patru sateliți manevrează în diferite formațiuni tetraedrice pentru a studia structura magnetosferei și limitele acesteia. Distanțele dintre sateliți pot varia de la aproximativ 100 la 10.000 de kilometri.
Inițial planificată să dureze până la sfârșitul anului 2003, misiunea a fost prelungită de mai multe ori. Prima extensie a prelungit misiunea din 2004 până în 2005, iar a doua din 2005 până în iunie 2009. Misiunea a fost apoi prelungită până la sfârșitul anului 2012. Pe 19 noiembrie 2014, misiunea a fost din nou prelungită, împreună cu cinci misiuni științifice suplimentare de doi ani, până la 31 decembrie 2016. Misiunea era încă în desfășurare la sfârșitul anului 2019.
Sateliții Rumba, Salsa, Samba și Tango au depășit cu mult așteptările. Misiunea a fost prelungită de mai multe ori, cel mai recent din martie 2023 până în septembrie 2024.Extended operations confirmed for science missions. ESA-Pressemeldung vom 13. Oktober 2020. Pe 8 septembrie 2024, satelitul Salsa a reintrat în atmosfera Pământului și a ars deasupra Pacificului de Sud. Cei trei sateliți rămași vor fi monitorizați timp de încă doi ani și sunt programați să fie eliminați prin reintrare controlată în atmosferă până în septembrie 2026.
Caracteristici tehnice ale sateliților Cei patru sateliți sunt cilindrici. Satelitul Cluster are forma unui cilindru plat, cu o înălțime de 1,3 metri și un diametru de 2,9 metri. Masa sa este de 1200 kg, inclusiv 650 kg de propulsor și 71 kg de instrumentație. Este stabilizat prin rotație la o viteză de 15 rotații pe minut. Părțile laterale ale cilindrului sunt acoperite cu celule solare care furnizează 224 wați, consumați de instrumente (47 wați) și diverse echipamente, în special de comunicații. Surplusul de energie este stocat în cinci baterii identice de argint-cadmiu, cu o capacitate totală de 80 Ah. Satelitul are un sistem principal de propulsie cu o putere de împingere de 400 newtoni și opt motoare rachetă mai mici, cu o putere de împingere de 10 newtoni fiecare. Aceste motoare ard un amestec de hidrazină și tetroxid de diazot / peroxid de azot. Motorul principal este utilizat pentru a plasa satelitul pe orbita sa operațională și ulterior pentru a ajusta distanța față de ceilalți trei sateliți din constelație. Odată ajuns pe orbită, satelitul este echipat cu mai multe antene și cabluri: două brațe de 5 metri care transportă senzori pentru instrumentul STAFF, patru cabluri de 50 de metri extinse radial și utilizate de experimentul EFW și două antene axiale pentru telecomunicații. Platforma este proiectată să funcționeze timp de cel puțin 5 ani. Cluster 3D Model, ESA
Instrumentație Fiecare dintre cei patru sateliți ai Clusterului poartă unsprezece instrumente identice (cu o masă totală de 71 de kilograme) ale căror caracteristici sunt descrise în tabelul de mai jos. Aceste instrumente măsoară, pe de o parte, intensitatea și direcția câmpurilor electrice (E) și magnetice (B), iar pe de altă parte, densitatea și distribuția electronilor și ionilor care compun plasma pe care sateliții o traversează.