VIKING - Sveriges första satellit

Sven Grahn


Sveriges första satellit, Viking, sändes upp den 22 februari 1986 som en ”snålskjutspassagerare” på den Ariane-1-raket som placerade den franska jordobservationssatelliten SPOT-1 i omloppsbana. Viking genomförde ett mycket framgångsrikt forskningsuppdrag i jordens magnetosfär fram till den 12 maj 1987. Vikingprojektet genomfördes av Rymdbolaget på uppdrag av statens delegation för rymdverksamhet (numera Rymdstyrelsen). Satelliten utvecklades av SAAB med Boeing Aerospace som en stor underleverantör.

Viking hade en raketmotor som förde upp satelliten från en cirkulär bana på 822 km höjd till en elliptisk bana mellan 817 km och 13530 km höjd. Banans plan var nästan vinkelrätt mot ekvatorsplanet och satelliten vägde 286 kg i omloppsbanan.

Viking undersökte komplexa fysikaliska processer i jordens magnetosfär och jonosfär. Satelliten förde med sig instrument som mätte elektriska fält, magnetiska fält, laddade partiklar, vågor i plasmat och som tog bilder av norrskenet i ultraviolett ljus. Instrumenten byggdes av forskargrupper i Sverige, Kanada, Danmark, Frankrike, Norge, USA och Tyskland.

Projektets bakgrund
I slutet av 1970-talet började rymdtekniken bli kommersiell och lovade att snart beröra vanliga människors vardag genom t.ex. TV-satelliter som kunde sända direkt till hemmen. Här fanns en industrigren att satsa på för ett industriland som Sverige vars industriella basnäringar var nära kopplade till råvaror. Staten ökade därför den offentliga satsningen på rymdteknik. Det första projektet i denna satsning blev ett forskningssatellitprojekt som skulle ge svenska företag, främst Saab Scania och Rymdbolaget, erfarenhet av store rymdprojekt. På grund av Sveriges traditionellt starka forskning kring magnetosfären och jonosfären var det naturligt att den första satellit skulle inriktas mot att utforska delar av den jordnära rymden där denna forskningsgrens ”stora hemligheter” skulle kunna avslöjas.

Viking hade således två syften.

Ett liknande projekt diskuterades i slutet av 1960-talet – “den svenska satelliten ”. Projektet utreddes av Saab Scania men det politiska stödet sakandes för det ambitiösa projektet och det lades ned. Men för Viking – tio år senare – var situationen annorlunda. Den svenska industrikrisen gav utrymme för en satsning på rymdteknik.

Vikings viktigaste data

Viking - viktigaste data

Internationell beteckning 1986-19 B
Katalognummer 16614 i amerikanska luftförsvarets förteckning
Start  22 februari 1986 kl 0144:35 UT från Kourou, franska Guyana.
Bärraket Ariane-1 (V16) tillsammans med satelliten SPOT-1.
Startvikt  520 kg
Tomvikt 286 kg, varav 60 kg forskningsinstrument
Begynnelsebana 814-13530 km, 98.6o vinkel mot ekvatorsplanet. 261,2 minuters omloppstid.
Konstruktionslivslängd  240 dagar med 80 % sannolikhet. Inga reservapparater ombord.
Verklig livslängd 444 dagar fram till den 12 maj 1987
Mått Åttakantig skiva: 0,5 m hög 1,9 m i diameter.
Bommar Fyra stycken 40 meter långa trådbommar  och två 4 meter långa styva
bommar för instrumenten V1 och V4. Dessutom medfördes två korta styva
radiella bommar för instrumenten V2 och V4.
Kraftsystem Solpaneler med kiselceller kunde lämna upp till 80 watts effekt.
När batteriet på 12 Ah också laddades ur kunde 140 watts effekt levereras. 
Elnätet ombord arbetade på 28 V likspänning.
Satellitens orientering Satellitens roterade kring sin axel med 3 vars per minut och axel var vinkerät
mot banplanet. Inriktningen av rotationsaxeln styrdes med en elektromagnet.
En annan elektromagnet användes för att ändra rotationshastigheten. Båda
elektromagneterna växelverkade med jordens magnetfält.
Dataöverföring En sändare på 2208,1629 MHz sände med 2,5 watts effekt och överförde
54,6 kbps varav 29,6 kbps var forskningsdata.
Kommandolänk Kommandon från marken sändes på frekvensen 2033,5 MHz
Markstation ESRANGE. Kiruna.(67.89 N. 21.11 E). Banelementen bestämdes med
hjälp av avståndsmätning.  

 


Viking sedd ovanfrån. Bilden tagen hos Boeing i Seattle 1982.
Alla appaater är attrapper, men skrovet är den riktiga.

      
Vikings markstation
Markstationen för Viking låg vid Esrange. Viking hade ingen bandspelare så all insamling av forskningsdata skedde i realtid. Men eftersom satelliten tillbringade flera timmar över horisonten var detta inget större problem. Medan satelliten var över horisonten passerade den genom de fältlinjer i jordens magnetfält som ledde genom norrskenszonen. Data visades i realtid för de forskare som var på plats på Esrange i ett särskilt rum – Viking Interactive Science Centre (VISC). Vid flera tillfällen var alla forskaregrupper på plats och genomförde särskilda ”forskningskampanjer” där man analyserade data direkt efter att de mottagits. Man höll ett slags vetenskapliga seminarier i markstationen på ”radarberget” på Esrange. Under dessa kampanjer genomfördes också koordinerade mätningar från marken, med ballong och sondraket. I avsaknad av moderna verktyg som internet distribuerades översikter over mottagna data, s.k. Quick-Look Plots till forskare i många länder. Avsikten var att stimulera intresset för de data Viking levererade.

Vetenskapliga mål
Norra Skandinavien är ett av de mest lämpliga områden för att observera de fenomen som hänger samman med utbytet av energi mellan solen, den yttre rymden och jordens magnetfält och jonosfär. Detta område, norrskenszonen, är det område där detta energiflöde når jorden som kan nå 1011 watt. Norrskenet har studerats i sekler av skandinaviska forskare som Anders Celsius, Kristian Birkeland, Christopher Hansteen, Anders J. Ångström och Hannes Alfvén.

Norrskensområdet innehåller ett dynamiskt och komplext system av plasma som växelverkar med magnetiska fält och elektriska strömmar. Vikingprojektet inriktades mot att förstå storskaliga fenomen som plasmakonvektion, globala system av elektriska strömmar, norrskensmorfologi såväl som småskaliga och mikrofysikaliska problem som partikelaccelerationsprocesser, växelverkan mellan vågor och partiklar, chockfrontstrukturer, elektriska strömmar med finstruktur och s.k. ”auroral kilometric radiation (AKR)”.

Viking utformades specifikt för att utföra mätningra med hög upplösning av elektriska fält, magnetiska fält, energetiska partiklar, plasmavågor och ljus från norrskenet i ultraviolett ljus.  Omloppsbanan valdes så att norrskensplasmat kunde undersökas på medelhöga höjder (1-2 jordradier) som normalt sett inte utforskas av satelliter och där många intressanta processer antogs försiggå, bland andra de nyckelmekanismer som accelererar norrskenspartiklar.


Vid en modell av Viking i Linköping. Fr.v. : projektedare Per Zetterquist
(Rymdbolaget), systemingenjör Sven Grahn (Rymdbolaget), professor
Kerstin Fredga (Statens delegation för rymdverksamhet), Ulf Ohlsson
(Chef f SAAB:s flyg- och robotsektor)

Vikings forskningsinstrument

Viking förde med sig en komplett uppsättning instrument från svenska forskare och deras utländska kollegor. Instrumenten grupperades i fem "experiment". Experimenten monterades på det s.k. nyttolastdäcket med "sensorhuvuden" på däckets ovansida och elektronikenheter på dess undersida där däckets aluminiumplåt gav visst skydd mot kosmisk strålning. En del av sensorerna satt på bommar för att komma bort från satellitkroppens störande inverkan.

V1 E-fältsexperimentet
Detta experiment använde tre sinsemellan vinkelräta par av sensorkulor monterade på fyra 40 meter långa radiella trådbommar (Sensorerna 5,6,7 och 8 i figuren längst upp på sidan) och två 4 meter långa styva axiella bommar (Sensorerna 3 och 4 i figuren längst upp på sidan) för att mäta det elektriska fältets tre komponenter. Institutionen för plasmafysik vid Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm ansvarade för V1.

V2 Magnetfältsexperimentet
En magnetometer monterad på en 2 meter lång styv, radiell, bom utförde precisionsmätningar av det jordmagnetiska fältet och användes också som del av satellitens attitydstyrningssystem. Magnetometern byggdes av Applied Physics Laboratory vid Johns Hopkins University i delstaten Maryland i USA. (Sensor 1 i figuren längst upp på sidan)

V3 Partikelexperimentet
Med hjälp av flera partikelspektrometrar i sju olika sesnoreneheter bestämde detta experiment riktningsfördelning och energinivån hos de laddade partiklar som Viking stötte på. Kiruna Geofysiska Institut, numera Instututet för Rymdfysik, var den ledande forskargruppen inom V3-experimentet.

V4 Vågexperimentet
Uppsala Jonosfärobservatorium (UJO), numera Institutet för Rymdfysik i Uppsala, och Dansk Rumforskningsinstitut (DRI) i Köpenhamn byggde detta experiment som kastade nytt ljus över hur plasmavågor skapas och hur vågor och partikleströmmar växelverkar i magnetosfären. Experimentet använde en "loop"-antenn monterad på en styv, radiell, bom (Sensor 2 i figuren längst upp på sidan) och sensorkulor som delades med experimentet V1 samt en vispliknande antenn för plasmavågor nära den yttre änden av respektive styv bom.

V5 Ultraviolettkamerorna
Universitetet i Calgary i Kanada bidrog med två kameror som tog bilder av norrskenszonen i ultraviolett ljus. På så sätt kunde norrskensaktiviteten jämföras med mätningar från de andra experimenten.  
 

Vikings experiment

Nr Experiment Ledande forskargrupp Massa (kg)  Effekt(W)  Datatakt (kbps)
V1 Electriska fält KTH Plasmafysik 3,5 7,2 4,27
V2 Magnetiska fält APL/John Hopkins Univ., USA  2,1 2,0 2,19
V3 Partiklar; Het Plasma Kiruna Geofysiska Institut 16,1 13,0 12,37
V4 Vågor Uppsala Jonosfärobservatorium 12,1 20,5 25,60
V5 UV-kameror Univ. i Calgary, Kanada    7,0 5,3 5,12
Totalt 40,8 48,0 49,55

Vikingsatelliten - en kort beskrivning 


Ariane-1 (V16) startar från Kourou den 22 februari 1986 kl 0144:35 UT med
Sveriges första satellit Viking ombord.


Hur Viking såg ut i omloppsbanan med alla bommar utfällda kan vi se i figuren längst upp på sidan. Man ser tydligt de två meter långa radiella bommarna för magnetsfälts- och vågexperimenten.  Man ser också de fyra fyrtio meter långa trådbommarna (hela längden visas dock icke) och de två fyra meter långa axiella bommarna för E-fältsexperimentet.

Satellitens rotationsaxel (spinnaxel) är vinkelrät mot de sex radiella bommarna. Partikeldetektorerna och UV-kamerorna placerades vid nyttolastdäckets yttre kant alldedes ovanför solpanelerna kant och deras synfält var radiellt ut från spinnaxeln.  I hopfällt tillstånd under uppskjutningen var Viking ungefär 0,5 meter hög och 2 meter i diameter och vägde 520 kg inklusive den stora krutdrivna raketmotorn som vägde 262 kg. I den slutliga banan, när raketmotorns krutladdning förbrukats, väger Viking 286 kg. Elektrisk effekt levererades av åtta "kroppsfasta" solpaneler utrustade med kiselceller. Ett nickel-kadmiumbatteri levererade ström under de perioder satelliten gick i jordskugga. Dataöverföring till marken, telemetri, skedde på det s.k. S-bandet med datatakten 55 kbit/s. En spinnhastighet på 3 varv per minut upprätthölls med hjälp av elektromagneter som "tog spjärn" mot jordens magnetfält. Kommandon från marken styrde det programverk som sände ström genom elektromagneterna. Viking hade inga reservapparater ombord. 

Projektförlopp
Vikingprojektet började på allvar i januari 1978 i samband med diskussioner med det s.k. Interkosmosrådet inom Sovjetunionens vetenskapsakademi om ett gemensamt magnetosfärforskningsprojekt som kallades M-SAT. I mars 1978 skickades en preliminär teknisk specifikation till Interkosmomosrådet och i november 1978 tog de första kontakterna med Boeing Aerospace i Seattle om att använda deras teknik i satellitprojekten S-3 (Small Secondary Satellite, en serie forskningssatelliter som sändes upp som "snålskjutsåkare" på militära spaningssatelliter).


Vikings bana

Under 1979 genomfördes en möjlighetsstudie av M-SAT av SAAB Scania och Boeing och Rymdbolaget började överväga att sända upp Viking som "snålskjutspassagerare" på en Arianeraket. I september 1979 övergavs tanken på att använda en sovjetisk raket och Ariane valdes som bärraket. En s.k. definitionsstudie av projektet löpte fram till juni 1980 och den 21 augusti 1980 fattade regeringen, i konselj, beslut om att godkänna projektet. Utvecklingskontraktet för Viking mellan Rymdbolaget och Saab Scania skrevs på den 1 september 1980.

Den preliminära konstruktionsgranskningen ägde rum i mars 1981 och den "kritiska" konstruktiongranskningen hölls i oktober 1981. Satellitplattformen levererades av Boeing till SAAB i Linköping i december 1982. Solsimuleringsprovet genomfördes vid den europeiska rymdorganisationens ESA tekniska center i Noordwijk i Holland under juli 1983. På grund dröjsmålen i utvecklinegn av den franska satellit, SPOT, som var huvudsatelliten på den planerade Arianeuppskjutningen (ursprungligen planerad till mars 1984) lades Viking i "malpåse" i novermber 1983.  

Under hösten 1984 genomfördes vissa ytterligare prov (bl.a. det s.k. magnetiska renhetsprovet) och i mars-april 1985 gjordes gemensamma vibrationsprov i Toulouse med huvudsatelliten SPOT. Viking skeppades till Toulouse inför uppskjutningen i september 1985, men uppskjutningen fördröjdes återigen på grund av haveriet med Ariane V15 (fredag 13 september 1985!). Viking anlände till startplatsen Kourou i oktober 1985 och personal från Rymdbolaget och SAAB Scania anlände den 11 november 1985. Ytterligare förseningar av uppskjutningen följde och Viking och SPOT sändes slutligen upp den 22 februari 1986 - åtta år efter den första projektidén. 


SPOT monterad ovanpå Viking

Uppskjutningsarrangemang
Ariane-1-raketen var en trestegs raket med flytande drivmedel med startvikten 235 ton och dragkraft vid starten på 2649 kN. Raketen var 50 meter lång med en största diameter på 3,35 meter. De första två stegn drevs med N2O4 och UDMH (Osymmetrisk Dimetyl-Hydrazin). Tredje steget använde flytande syre och flytande väte. 

För att kunna sända upp Viking med Ariane-1 vidtogs specialarrangemang. Viking monterades på nyttolastadaptern på Ariane och Arianes mekaniska gränssnitt duplicerades på toppen av Viking och på detta gränssnitt monterades SPOT. Viking var så att säga "transparent" med avseende på raketgränssnittet. När Ariane nått omloppsbana lösgjordes SPOT först medan raketens tedje steg fortfarande var stabiliserat i tre axlar. Tredje steget vreds därefter så att Vikings separationsriktning var parallell med bantangenten vid den slutliga banans lägsta punkt. Därefter sattes tredje steget i rotation med 10 varv per minut och Viking avskiljdes från Ariane genom att ett spännband lösgjordes. Fyra sekunder efter separationen tändes små krutraketer på Viking som höjde rotationshastigheten till 50 varv per minut inför tändningen av raketmotorn på Viking.

Uppdraget börjar
Efter starten från Kourou kl 0144:35 UT den 22 februari 1986 placerades Viking i en "parkeringsbana" på 822 km höjd och 98.7o vinkel mot ekvatorsplanet. Denna bana höjdes för att nå vetenskapligt intressanta områden. På andra varvet runt jorden, kl 0505:01 UT, när Viking befanns sig i en punkt i rymden över Påskön, tändes den stora raketmotorn av typen Thiokol STAR 26 C och brann i 17 sekunder. Genom att 232 kg drivmedel förbrukades höjdes hastigheten med ungefär 1,6 km/s och satellitbanans högsta punkt höjdes till 13530 km.. Satelliten kommer att stanna i denna bana i åtminstone 100 000 år. 

 

Videoklipp från uppskjutningen av Viking

Driftfasen
Viking sköttes av en grupp på fyra operatörer från ett kontrollrum på "Radarberget" på Esrange. Under satellitens nominella livslängd, åtta månader, fungerade satelliten i stort sett normalt. Men i oktober 1986 inträffade en kortslutning i en elektrisk shunt som användes för att bli av med överskottsefekt från solpanlerna. Denna kortslutning minskade tillgänglig ström ombord med 1,5 ampere och gjorde det svårare att håla satellitens batteri laddat. Den ogästvänliga strålningsmiljön i rymden minskade stadigt uteffekten från solpanelerna och den 12 maj 1987 gick det inte att hålla batteriet laddat längre och kontakten förlorades med Viking. Uppdraget var över efter 444 dagar.


Vikings kontrollrum på "Radarberget" på Esrange. Projektledaren under drift-
fasen, Lennart Björn, vid satellitoperatörens arbetsplats.

Projektorganisation
Nedanstående personer innehade projektledarjobbet för Viking i de olika organisationerna. Vetenskaplig projektledare var Kerstin Fredga på statens delegation för rymdverksamhet (numera Rymdstyrelsen).

Organisation Projektstudie Utvecklingsfas Driftfas
Rymdbolaget Lars Anderson Per Zetterquist
Baard Eilertsen		 Lennart Björn
Boeing Alan Hill Brent Brentnall -
SAAB Jonny Andersson Jonny Andersson
Sven Ljunggren

-


Baard Eilertsen i kontrollrummet i Kourou

 

Summa summarum

 

Starkt norrsken (rött) på jordens dagsida (det ljusa området) avbildat av Viking

den 13 mars 1986.

Vid tjugoårsjubileet av uppskjutningen i februari 2006 ordnades en pressträff på Rymdbolaget i Solna om Viking och professor emeritus Bengt Hultqvist var med på telefon från Kiruna och han sammanfattade projektet med bl.a. följande ord:

”… Vikingprojektet var mer framgångsrikt än någon hade vågat hoppas. Vi hade alla goda krafter med oss och hade mer tur än normalt. Flera vetenskapliga experiment gav bättre mätdata än väntat och inga större problem uppstod…”

Bland de nya vetenskapliga resultaten nämnde han att Viking upptäckte att det ofta finns norrskensaktivitet på jordens dagsida och att man upptäckt helt nya former av norrsken, till exempel det som döptes till ”pärlbandsnorrsken”.

Bengt Hultqvist konstaterade också att Viking var ett internationellt forskningsprojekt och att cirka hundra forskare arbetade med Vikingdata, av vilka en fjärdedel var svenska. Han slutade med orden:

”… Det var mycket roligt att vara svensk rymdfysikforskare under Vikingperioden och svensk rymdfysikforsknings internationella status nådde en höjdpunkt med flaggskeppet Viking…”

Så gick det till när Sveriges första satellit skapades, skickades upp i rymden och användes för att söka svaren på några av “De Stora Frågorna”


”Pärlbandsnorrsken” (gula områden) observerade med Viking.

Tillbaka till svenska rymdprojekt