S18 - D-layer

Sven Grahn


S18-sonden i Rymdbolagets lab. i Solna Fr.v. Lennart Björn (UJO),
Malte Sjökvist (Rymdbolaget).

Projektets bakgrund

Projektets ändamål var mätningar av elektrontäthet och jonkoncentration på olika höjd inom D-skiktet för att förstå processerna i skiktet 50-100 km under ett norrsken.

 

Den ursprungliga planen var att två sonder skulle byggas och sändas upp från Esrange våren 1976. Rymdbolaget var totalansvarigt för projektet och byggde också sonderna i laboratoriet vid Tritonvägen 27 i Solna - till skillnad mot andra sondraketprojekt vid denna tid i vilka sonderna byggdes av Saab-Scania i Linköping. Bengt Holmqvist var Rymdbolagets projektledare. Lennart Björn vid Uppsala Jonosfärobservatorium var vetenskaplig ledare för projektet.

 

S18-sonderna var utrustade med följande instrument:

Projektet startade den 1 januari 1974 med definition av sonden och start av konstruktionsarbete och tillverkning av delsystem. Under andra halvåret 1974 var det meningen att sonden skulle färdigställas. Prototypproving skulle äga rum första halvåret 1975 och provning av flygexemplaret av sonden skule provas och levereras till Esrange under andra halvåret 1975. Uppskjutningarna planerades till vårvintern 1976. Totalbudgeten för projektet var 860 000 kronor (1) .

Denna sond var den näst sista sonden uppsänd med en Nike-Apache som Rymdbolaget utvecklade. Efter sonden S21-3 (Lill-Trigger) gick bolaget över till att bygga sonder för raketer baserade på en civil version av Hawk-robotens raketmotor - Orion och Nike-Orion. Apacheraketens ringa diamter var en begränsing för instrumentbyggare.

Skjutvillkoren för S18 var att det skulle råda stor jonosfärabsorption, klar himmel och föga månsken. Månskensvillkoret innebar att under vårvintern 1977 kunde sonden sändas upp under perioderna 10 januari -1 februari, 7 februari - 4 mars och 8 mars - 31 mars. Nominell uppskjutningstid för S18-1 var 01-07 lokal tid och under inga omständigheter före midnatt lokal tid (2) .

Den vetenskapliga markutrustning som forskarna hade beställt från Esrange var (2) :

Experimentbeskrivningar

Experiment Beskrivning
MPI Max-Planck Institut für Kernphysik i Heidelberg (Ansvarig forskare Dieter Krankowsky) levererade en masspektrometer. 
FFI

Forsvarets Forskningsinstitutt (Eivind Thrane) "solid-state"-detektor för att mäta elektroner  och två GM-rör för att mäta röntgenstrålning. Dessa sensorer var riktade 45° från spinnaxeln.

UJO

Uppsala Jonosfärobservatorium (nuförtiden Institutet för Rymdfysik i Uppsala)  (Ansvarig forskare Lennart Björn) levererade 

Sonder för att mäta positiva/negativa joner samt elektroner. De var monterade på tre korta radiella bommar monterade på nossektionen. 

Faradayrotationsexperimentet som mätte elekrontätheten och kollisionsfrekvensen genom att mäta rotationen hos polarisationsplanet hos en radiovåg (Faraday-rotation) sänd från marken. Sändaren på marken sände på 1,300 MHz, 3,883 MHz och 7,835 MHz. Antennerna placerades bakom två luckor i skrovet och fälldes ut 90°. Mottagaren ombord på raketen utvecklades och tillverkades av Rymdbolaget (Olle Nilsson).

Nyttolastens mått och apparatplacering

Bilder från provningen i Solna och på Esrange


Erik Söderdahl (Rymdbolag) och S18 på Esrange. Varför det
ligger antenner för radartransponderna på bordet framför
sonden är oklart.


FFI:s "solid-state"-detektor och magnetometer (x-y-pilar).


Faradayantennerna och GM-rören i utfällt läge.


Separationssystemet monterad på Apacheraketens övre ände.


Bild tagen på Esrange den 13 februari 1976. Runt S18-sonden står
fr.v. Erik Söderdahl (Rymdbolaget), Herrmann Sauer (MPI),
Lennart Björn (UJO).

Viktigaste data för sondraketen S18

Data för några av S18-sondernas delsystem

Batteripaket

Batteri 1: +28 V 24 celler VARTA 1000 DKZ (1 Ah) för experimenten
Batteri 2: +28 V 24 celler VARTA 1000 DKZ (1 Ah) för telemetrisystemet.
Dessutom fanns spänningsregulatorer från Rymdbolaget som tillhandahöll
+/-15 V, +5 V till telemetrisystemet samt 
+/-20 V, +9 V till experimenten.

Telemetri

256,2 MHz, 2 Watt, Aydin Vector T1202
“Quadraloop”-antenner, 2 st Bronzavia TM 300 
Signaldelare Bronzavia, TM10
Telemetrienkoder PCM 128 kbit/s.

Baninmätning

"Slant range"-mottagare: 33,85 MHz, 30 kHz modulation
Radartransponder, Vega: 5612 MHz upp, 5662 MHz ned.

Magnetometer Schonstedt RAM-72C
Tiddon 1 st Raymond 1060-PW-360T-8SPDT med 360 sekunders löptid.
Kraftomkopplare 3 st latchreläer, Potter & Brumfield, TL 17DA24.

Händelser under flygningen

Tid (s)
S18-2

Tid (s)
S18-1

 Höjd (km)
S18-2		 Höjd (km)
S18-1		 Händelse

0,0

0,0

0,0

0,0

Nike tänder
Raketen lyfter
Navelsträngen rycks ur
Tiddonet startar
Styrningen börjar

3,5

3,5

0,5

0,5

 Nike slocknar

4,5

      

"Blenden"-styrning påslagen.

20,0

20,0

13

13

 Apache tänder

27,0

27,0

20

20

 Apache slocknar
 

40,0

    

Masspektrometerns tiddon startar.

 

46,0

  

40,9

Första pulsen från masspektroneterns tiddon.

56,0

54,35

51,2

50,0

Noskonen avskiljs.

58,6

55,6

53,8

51,0

UJO:s bommar fälls ut.

61,5

57,0

56,6

52,5

Faradayantenner, GM-rör och solid-statedetektorer fälls ut.

63,8

57,7

58,6

53,2

"Headcap" på masspektrometern kastas av.

 

73,0

  

67,2

Andra pulsen från masspektroneterns tiddon.

 

79,0

  

72,0

Tredje pulsen från masspektroneterns tiddon.

 

86,0

  

77,3

Fjärde pulsen från masspektroneterns tiddon.

 

158,0

  

104,1

Femte pulsen från masspektroneterns tiddon.

161,8

161,1

104,6

104,2

Topphöjd.

 

240,0

  

74,6

Sjätte pulsen från masspektroneterns tiddon.

312

304,0

    

Nyttolasten avskiljs

353

88,0

0

  

Nedslag

Kampanjförlopp och preliminära resultat

Den första S18-sonden (S18-2) sändes upp den 21 februari 1976 i en pulserande "norrskensglöd" som visade sig en timme efter en "substorm" och som pågick en halvtimme. Riometern visade hög absorption och jonosonden vid "downrange" visade total absorption en kvart före uppskjutnigen. Himlen var inte helt molnfri, men norrskensemissiioner kunde änså observeras genom de tunna molnen. Den geomagnetiska aktiviteten var låg (7). Alla instrument på sonden fungerade väl, men problem med instrumenten i den andra sonden gjorde att 1976 års kampanj fick avslutas och uppskjutnigen av S18-1 fick fördröjas nästan ett år. 

I (4) redovisar forskarna resultaten av den första uppskjutningen av S18-nyttolasten som var utrustad för att mäta inflöde av energirika partiklar, jonisationstäthet och kartlägga jonsammanstättning och halten av neutrala beståndsdelar i D-skiktet och den nedre delen av E-skiktet. Partiklar detekterades i området 40-800 keV. Vattenflockjoner dominerade jonsammansättningen under 71 km. Över denna höjd var NO+ det mest förekommande jonslaget. Negativa joner återfanns under en skarp övre gräns vid 74 km. Höjdprofieln för kväveoxid kunde härledas ur jonmätningarna och koncentrationen varierade mellan 7 × 108cm-3 och 3 × 108cm-3 i höjdintervallt 80-100 km.

Den andra S18-sonden (S18-1) sändes upp den 15 januarii 1977 i en långsamt ökande absorption enligt riometerutslaget. Norrskenet täckte hela himlen och pulserade. Mätningarna fungerade bra. En mndre anomali uppträdde 4,5 sekunder efter noskonsseparationen när en av de tre radiella bommarna föreföll att ha brutits av. jonisationen var i allmänhet lägre under denna mätning än under S18-2 (8) .

Data

S18-2

S18-1

Startdatum

21 februari 1976

15 januari 1977

Starttid

1942.32 UT

0050.02 UT

Startplats

Esrange

Esrange

Startramp

Centaure med Nikeräls

Centaure med Nikeräls

Rakettyp

Nike-Apache

Nike-Apache

Serienummer Nike

60375

59824

Serienummer Apache

BP15-A873, S/N 4

BP15-A871, S/N 2

Nyttolastmassa

76 kg

76 kg

Nyttolastlängd

1880 mm

1880 mm

Raketens längd

8378 mm

8378 mm

Raketens startvikt

772,5 kg

772,5 kg

Startrampens elevation (nom)

83,6° (83,8°)

82,3° (82,9°)

Startrampens bäring (nom)

006° (353°)

351° (350°)

Verklig topphöjd

104,6 km

104,2 km

Verklig bäring till nedslaget

358°

359°

Nominell bäring till nedslaget

353°

350°

Verkligt avstånd till nedslaget

63,7 km

48,3 km

Nominellt avstånd till nedslaget

70 km

80 km

Spinnvarvtal under mätfasen

4 rps?

4 rps?

Bärgning

Icke planerad

Icke planerad


Nyttolasten S18-2 återfunnen. Man ser till vänster att separationssystemet verkar ha fläkt
upp ytterskalet. I övrigt verkar nyttolasten illa tilltygad.


Andra steget till S18-2återfunnet. Fenorna slets loss vid
nedslaget och ligger i gropen i snön..

Noter

  1. Projektplan för D-skiktsonden (Etapp 3), Rymdbolagets dokument S18-5, 17 dec 1975, Bengt Holmqvist.
  2. Preliminary Flight Requirements Plan For Project S18 D-layer, Rymdbolaget 23 juni 1976, Bengt Holmqvist.
  3. D-Layer - Final Report. Rymdbolagets dokument S18-8, 28 februari 1977, E Söderdahl. M Sjökvist.
  4. L.G Björn, F Arnold, D Krankowsky, B Grandal, O Hagen and E.V Thrane, Lower ionosphere ion production, density and composition in an auroral absorption event, Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, vol. 41, Dec. 1979.
  5. En jonosond är ett radiovågsinstrument (en radar) för att mäta jonosfärens elektrontäthet på olika höjder. Jonosondens mätprincip bygger på att vertikalt utsända radiovågor reflekteras på den höjd där plasmafrekvensen i jonosfären motsvarar vågens frekvens. Jonosonden sänder ut korta vågpaket och registrerar deras återkomst, och fungerar alltså som en sorts uppåtriktat ekolod i radiovågsområdet. Genom att mäta hur lång tid det tar för signalen från utsändning tills den kommer tillbaka samt att stega igenom ett antal frekvenser från lägre till högre kan man få en kurva över hur plasmafrekvensen beror av höjden, ett jonogram. Eftersom plasmafrekvensen beror av elektrontätheten kan jonogrammet direkt omvandlas till en höjdprofil för tätheten i jonosfären. (Från Wikipedia).
  6. Relative Ionospheric Opacity meter.
  7. Brev från den vetenskaplige ledaren Lennart Björn 30 september 1976. Ingår i (3).
  8. Brev från den vetenskaplige ledaren Lennart Björn 24 januari 1977. Ingår i (3).


Tillbaka till svenska rymdprojekt