Denne artikkelen ble opprinnelig publisert i Nytt om Romfart 24. årgang, nummer 92, oktober-desember 1994, sidene 21-25. Vær oppmerksom på at artikkelen kan inneholde opplysninger og data som i dag er foreldete. Til Titan med Huygens
Europeisk landing på Saturns måne

Av Øyvind Guldbrandsen

Den amerikanske Saturn-sonden Cassini, som etter planen skal skytes opp i oktober 1997, vil bringe med seg den europeiske atmosfærekapselen Huygens. Huygens skal slippes ned på Saturn-månen Titan hvor den vil lande i november 2004.

Huygens er altså ikke noen selvstendig romsonde, men utgjør den europeiske delen av det i hovedsak amerikanske Cassini/Huygens-prosjektet. Huygens, som er utviklet og bygget av ESA, vil være koblet til modersonden, NASAs Cassini, under hele den syv år lange ferden fra Jorden til Saturn. Først etter at Cassini har gått inn i bane rundt Saturn vil Huygens bli koblet fra, tre uker før den braser inn i atmosfæren på Titan. Ferden gjennom Titans atmosfære vil ta omlag to og en halv time. Dalende nedover mot Titans tilslørte overflate i fallskjerm vil Huygens kontinuerlig overføre bilder og data til Jorden via Cassini, og muligens fortsette med dette en stund etter at den har landet. Cassini vil fortsette i bane rundt Saturn i minst fire år.

Cassini skulle opprinnelig være bare én av mange romsonder av typen Mariner Mark II, et konsept som gikk ut på at 90-årenes NASA-romsonder skulle være teknisk og konstruksjonsmessig nært beslektet med hverandre, men med svært varierende oppdrag. Dermed ville man alt i alt spare betydelige summer, spesielt på utviklingsarbeider. Men etterhvert ble samtlige M.M.II-ferder kansellert, med unntak av Cassini som overlevde i økonomisert tilstand. Det endte med at man ga blaffen i M.M.II-konseptet og konstruerte en «ren» Saturn-sonde.

Med en prislapp på rundt fire milliarder dollar, hvorav omlag en tredjedel allerede er brukt, er Cassini/Huygens likevel et av de aller mest kostbare, ambisiøse og avanserte romsondeprosjekter noen sinne. Cassini/Huygens vil ved oppskytingen ha en masse på over 5,5 tonn, hvorav tre tonn er drivstoff, mens Huygens utgjør noe under 0,4 tonn. Cassini skal utstyres med tolv vitenskapelige instrumenter, mens Huygens har seks. Huygens er et av ESAs middelstore prosjekter i det såkalte Horizon 2000-programmet. Cassini vil på sin side vil etter all sannsynlighet være det siste «flaggskipet» i NASAs romsondeprogram i overskuelig fremtid. Trenden skal jo nå gå mot mindre og billigere sonder med færre instrumenter, men som til gjengjeld angivelig skal bli skutt opp hyppigere.

Cassinis ferdplan

Oppskytingen skal etter de nåværende planene foretas fra Cape Canaveral i oktober 1997 med en Titan 4/Centaur, den kraftigste operative bærerakketten i Vesten. Men selv denne raketten er for svak til å sende Cassini direkte helt ut til Saturn. På samme måte som Galileo må derfor Cassini bygge opp den nødvendige hastighetsenergien ved å gjennomføre en serie passeringer av planeter som er lettere tilgjengelige enn reisemålet selv.

For øvrig er det først i løpet av denne syv år lange cruise-fasen at mesteparten av programvaren til Cassinis datamaskiner vil bli utviklet for deretter å bli sendt opp til sonden med radio. Dette for å holde kostnadene lavest mulig mens utviklingen og byggingen av selve sonden foregår på Jorden.

Cassini vil først passere Venus i april 1998 og på nytt igjen i juni 1999, deretter Jorden i august 1999 og Jupiter i relativt stor avstand i desember år 2000. I juni 2004 vil Cassini være fremme ved Saturn. Den vil da bremse opp og gå inn i en meget avlang bane rundt planeten. Det første omløpet vil vare i over fem måneder og vil ha apoapsis (fjerneste punkt i banen) over 170 Saturn-radier, eller mer enn 10 millioner km, unna. Første apoapsis vil bli nådd i september 2004. Cassini vil da foreta en banekorreksjon som foruten å heve periapsis vil gi sonden en kurs direkte mot Titan. To måneder senere vil Huygens bli frakoblet og sendt til et kortlivet møte med Titan.

Cassini på sin side vil fortsette i kretsløp rundt Saturn i ytterligere fire år. I løpet av denne tiden vil den gjøre omlag 40 omløp rundt planeten og et tilsvarende antall nærpasseringer av Titan. Et av formålene med så mange passeringer er at sonden skal prøve å få kartlagt mesteparten av Titans totalt distildekkede overflate med en bildedannende radar.

Huygens ferdplan

Huygens-kapselen vil bli frakoblet Cassini i begynnelsen av november år 2004, fremdeles mens sondene har kurs direkte mot Titan, på vei innover mot Saturn i det første omløpet. Cassini-Huygens-adapteret vil før frakoblingen sette kapselen i en rotasjon på syv omdreininger i minuttet. Huygens vil dermed være spinnstabilisert etter frakoblingen, med varmeskjoldet pekende i fartsretningen den vil ha når den møter Titans atmosfære. Huygens vil forlate Cassini med en relativ hastighet på 0,3 m/s. De 22 døgnene det tar å komme frem til Titan vil foregå i fri flukt. Cassini selv vil foreta en banekorreksjon som styrer den forbi Titan.

Frakoblingen må være svært presis, i og med at Huygens selv ikke har muligheten til å foreta hverken banejusteringer eller stillingskontrollendringer etter å ha blitt frakoblet Cassini. Huygens har ikke noen radiomottaker ombord, sonden vil i stedet bli vekket til live av en innebygget timer 15 minutter før den braser inn i Titans atmosfære. Timeren vil være forhåndsinnstilt før frakoblingen fra Cassini, basert på nøye beregninger av når Huygens vil være fremme ved Titan. Først like før Huygens møter Titans atmosfære vil det første av Huygens seks vitenskapelige instrumenter bli skrudd på.

Vitenskapelige data som samles inn mens radioforbindelsen er brutt, som følge av ionisert gass som dannes rundt kapselen i det den braser inn i atmosfæren, lagres i instrumentenes egne minner og radiooverføres etter at fallskjermsystemet har trådt i funksjon. Radiosignalene fra Huygens vil bli tatt i mot av Cassinis fire meter store direktivantenne. Dataoverføringshastigheten vil være på opptil 8000 biter per sekund (8 kbps) og vil bli lagret ombord i Cassini og senere overspilt til Jorden via den samme antennen. Cassini har av budsjetthensyn ikke fått noen separat reléantenne som f.eks Galileo har.

Huygens vil være fremme ved Titan i slutten av november 2004. Den vil møte Titans atmosfære med en hastighet på 6 km/s. Plasmaet som dannes foran Huygens' 2,7 m diameters varmeskjold vil få en temperatur på opptil 12 000 °C. I løpet av de neste tre minuttene vil aerodynamisk oppbremsing ha redusert hastigheten til 400 m/s. Bremsekraften vil maksimalt komme på 16g. Ved Mach 1,5 og i en høyde på omlag 170 km over Titans overflate vil en pilotskjerm på 2 m bli utløst, raskt etterfulgt av separasjon av aeroskjoldets bakdeksel og utløsning av den 8 m vide hovedfallskjermen. I løpet av denne tiden vil radiosenderen og resten av instrumentene bli slått på. De neste 30 sekundene vil hastigheten ytterligere reduseres fra Mach 1,5 til Mach 0,6. Deretter vil det opprinnelig over 100 kg tunge varmeskjoldet (aeroskjoldets frontdeksel), bli frakoblet. De neste 15 minuttene vil Huygens' 207 kg tunge instrument- eller nedstigningsmodul dale nedover, hengende i hovedfallskjermen, før en mindre stabiliseringsskjerm tar over for hovedskjermen for at Huygens' nedstigningsmodul skal synke raskere. De forskjellige observasjonssekvensene vil utføres basert på data fra aksellerometere og radarhøydemåleren. Sistnevnte vil være i drift fra en høyde av 20 km.

Mellom to og to og en halv time etter utløsningen av den første bremseskjermen vil Huygens treffe Titan-overflaten med en hastighet på 5-8 m/s. Den skal kunne flyte i tilfelle den lander i en sjø av metan eller etan, noe man antar kan finnes på Titans overflate. Det er for mange ukjente faktorer til at man vil beregne sannsynligheten av at Huygens overlever et sammenstøt med bakken. Om den overlever er den spesifisert for å skulle kunne fungere i minst tre og forhåpentlig vis over 30 minutter etter landingen. Den vil kontinuerlig fortsette sine vitenskapelige målinger i løpet av denne tiden.

Cassini vil lytte til Huygens i totalt tre timer, det vil si til minst 30 minutter etter landingen. Uansett regner man med at Huygens batterier på denne tid vil være utladet, eller at kulden på -180 °C vil ha tatt knekken på sonden. Etter at de tre timene med lytting er over vil Cassinis direktivantenne bli dreid bort og den vil i stedet rette fjernmålingsinstrumentene (kameraene og spektrometrene) mot det området i Titan-atmosfæren som Huygens har dalt igjennom. Dette for å sammenligne dataene fra Cassini og Huygens. Cassinis instrumenter vil av budsjetthensyn være fast montert til sonden, i motsetning til f.eks Galileo og Voyager som har fjernmålingsinstrumentene montert på dreibare plattformer.

Instrumentering

Huygens er utstyrt med seks instrumenter, hvorav de fleste består av flere sensorer. Noen utnytter utstyr Huygens uansett måtte ha vært utrustet med for å kunne fungere.

Nedstigningskamerasystemet/spektralradiometeret (DISR) kan ta bilder og gjøre spektralanalyser ved hjelp av flere sensorer som dekker spektralområdet fra 350 til 1700 nanometer. DISR vil måle opp- og nedadgående varmestrømmer i Titans atmosfære, måle graden av halo rundt solen sett fra sonden gjennom Titans atmosfære og ta visuelle og infrarøde bilder av overflaten og skyene ved hjelp av et nedoverrettet og et horisontrettet kamera. Ved å ta serieopptak mens nedstigningsmodulen roterer vil det kunne settes sammen panoramamosaikker.

Gasskromatografen/massespektrometeret (GCMS) skal registrere tilstedeværelsen og mengden av diverse atmosfæriske stoffer. Instrumentet kan samle gasser fra store høyder og undersøke dem nærmere senere når det er mere tid til rådighet. GCMS vil også kunne gjøre en analyse av overflatens sammensetning etter eventuelt å ha overleve landingen.

Dispartikkelsamleren og pyrolyseren (ACP) skal samle atmosfæreprøver fra to forskjellige høyder og pumpe dem gjennom filtre som fanger opp dispartiklene. Filtrene blir deretter varmet opp i trinn slik at partiklene fordamper og kan analyseres av GCMS-instrumentet.

Huygens' atmosfærestrukturinstrument (HASI) omfatter flere sensorer, deriblant aksellerometrene, en temperatursensor, en trykksensor og en sensor for måling av elektriske felt. HASI skal måle atmosfærens fysiske og elektriske egenskaper, som å detektere lyn. Data fra aksellerometrene når Huygens raser gjennom de øvre lag av atmosfæren vil kunne si noe om dens tetthet i forskjellige høyder. Sondens radarhøydemåler er også innlemmet i HASI. Denne vil gi informasjoner om overflatens topografi og radarreflekterende egenskaper. HASI vil være det eneste instrumentet som gjør målinger under Huygens' innledende møte med atmosfæren.

Dopplervindeksperimentet (DWE) utnytter de ultrastabile oscillatorene i Huygens radiosender og Cassinis radiomottaker til å måle dobblervariasjoner i radiosignaler sendt fra Huygens til Cassini. Dopplervariasjonene vil være forårsaket av at vinder i Titan-atmosfæren skaper endringer i den relative hastigheten mellom Cassini og Huygens. Man håper at eksperimentet er følsomt nok til å måle Huygens' egenrotasjon, da antennen er plassert utenfor Huygens rotasjonsakse, og i hvor stor grad kapselen dingler frem og tilbake under fallskjermen.

Den vitenskapelige overflatepakken (SSP) skal undersøke overflatens egenskaper som temperatur, varmeledningsevne og varmekapasitet, hastigheten på lydbølger mm. Selv om SSP primært skal undersøke overflatens egenskaper, vil den også kunne brukes før landingen til diverse undersøkelser av atmosfæren. SSP inkluderer også et akustisk ekkolodd som skal brukes fra noen hundre meters høyde, et aksellerometer som indikerer hvor hard overflaten er i det Huygens lander, og en vippesensor som kan bestemme Huygens' stilling etter landingen.

Titan

Titan er med sin diameter på 5150 km (uten atmosfæren) den nest største månen i Solsystemet, litt mindre enn Jupiter-månen Ganymedes, men større enn Merkur. I likhet med Jorden inneholder Titans atmosfære hovedsakelig nitrogen. I tillegg finnes en del metan og argon. Man antar at Titans atmosfære ligner mye på hvordan Jordens atmosfære var for 4,5 milliarder år siden. Titans atmosfæretrykk ved overflaten er omlag 1,5 ganger større enn Jordens. Atmosfæren til Neptun-månen Triton kommer på andre plass blant Solsystemets måner med en tetthet 1/70 000-del av Jordens. Titan er således den eneste månen i Solsystemet med en tykk atmosfære, noe som er en av årsakene til at Titan vanligvis blir ansett som den mest interessante månen i Solsystemet, til tross for at man vet relativt lite om den sammenlignet med tilsvarende kloder i Solsystemet. Dette skyldes først og fremst at overflaten har vært totalt tildekket av dis de gangene romsonder har fløyet forbi og forsøkt å kartlegge overflaten.

Tekster til illustrasjoner brukt i artikkelen

Cassinis ferd fra Jorden til Saturn. Den må gjennomføre flere planetpasseringer for å bygge opp nok hastighetsenergi til å nå ut til Saturn.

Det første kretsløpet rundt Saturn. En Rs (Saturn-radius) tilsvarer 60 000 km. Saturn er tegnet i større målestokk enn hva som er tilfellet med de inntegnede banene.

Cassini/Huygens-kombinasjonen med Cassinis eksperimenter.

Dattersonden Huygens som frigjøres fra moderfartøyet Cassini for å trenge ned i Titan-atmosfæren.

Instrumentplattformen på Huygens, øverst sett ovenfra, og nederst nedenfra. (DWE RUSO = ultrastabil oscillator for DWEs radiosender, Radar altimeter antenna = antenne for radarhøydemåler, HASI deployable booms = utfellbare bommer for HASI.)

Bildet viser en skjematisk tegning av Huygens ferd ned på Titan. Batterier og andre drivkilder er optimalisert for huygens oppdrag under de 153 minuttene den skal sende signaler tilbake til Jorden. Nedstigningstiden er satt til 2,5 timer. Huygens er for øvrig oppkalt etter den nederlandske astronomen Christian Huygens, som oppdaget Titan i 1655.

Huygens med fallskjerm sett ovenfra noen få hundre meter over Titan-overflaten. DISR-instrumentet tenner en lykt som lyser opp overflaten og gjør spektralanalyse av overflatematerialet mulig.