S35 OXYGEN

Sven Grahn


Den 7 februari 1981 kl 2030 UT sändes Rymdbolagets raketsond S35 OXYGEN upp med en Nike-Orionraket från Skylarktornet på Esrange. Sonden hade byggts av för att genomföra ett forskningsprogram från den meteorologiska institutionen vid Stockholms universitet (MISU).

Bakgrund

Målet med S35 var att i detalj studera den mekanism I den övre atmosfären som genom kemiska reaktioner i vilka atomärt syre är inblandat, ger upphov till ljusfenomen. Parallellt med mätningarna med S35-sonden gjordes mätningar av höjdprofilen för atomärt syre med resonansfluorescensmetoden på en separat Petrelraket.

Försöket genomfördes under nära nog idealiska experimentvillkor. Skottet föregicks planenligt av uppsändandet Petrelsonden, tillhörig den brittiske forskaren P Dickinson vid Appleton Laboratory, som var försedd med utrustning för direktmätning av syreatomens ymnighet. Separationen i tid mellan de båda skotten var minimala 12 minuter inklusive Petrelsondens sju minuter långa flygtid, varför de båda experimenten kan antas ha ägt rum under så nära som möjligt likartade förhållanden. Båda sonderna följde perfekta banor och stabil attityd. Därmed hade den första fasen i MISU:s projekt OXYGEN avslutats; nästa steg väntades bli ett liknande experiment med enbart Petrelsonder från South Uist i januari 1982. Sonden S35 bärgades i praktiskt taget oskadat skick och bedömdes kunna återanvändas till förnyade experiment.

En undersökning av kemiluminescenta atmosfärsemissioner kräver minimal norrskensaktivitet, klart väder samt specifika mån- och solpositioner. Trots solens just nu ganska intensiva aktivitet har dessa villkor kunnat uppfyllas. Efter en veckas ständigt växande norrskensaktivitet som avslutades den 6 februari av en kraftig störning med upp till 800 gamma magnetisk deviation följde således ett nära nog ostört dygn med önskad minimal aktivitet. Under S35:s flygtid uppmättes från marken en elektronexciterad emission från N2+ vid 391,4 nm med en intensitet av endast 50-100 Rayleigh. Denna restaktivitet varierade dock inte nämnvärt med tiden fri från sådana fluktuationer som ofta karakteriserar den lugna perioden kring magnetisk midnatt efter en normal substorm och som avsevärt skulle ha försvårat en uttömmande tolkning av mätningens resultat såsom fallet var vid MISU:s tidigare airglowexperiment S13 våren 1975; Det faktum att försöket har kunnat genomföras omedelbart efter en så pass starkt störd period antyder att man kan anta att störningen har modifierat den neutrala termosfärens sammansättning.

Mätningar på S35

Sonden S35 OXYGEN var bestyckad med inalles 11 filterfotometrar varav två sidotittande. De axiellt monterade instrumenten mäter följande emissionskomponenter:

Fotometer nr. Våglängd  Emission
1 330 nm   O2 Herzberg I
2 370 nm   O2 Chamberlain
3 391,4 nm   N2+1 Neg (mätning av energetiska partiklar)
4 540 nm   Airglow-kontinuum från reaktionen NO+O->NO2
5 557,7 nm   OI Gröna linjen
6 724 nm   OH  (8-3) Meinelbandet
7 762 nm  O2 (0- 0) Atmosfäriska bandet
8 864,5 nm  O2 (0-1) Atmosfäriska bandet
9 1, 27 µ  O2 (0-0) IR atmosfäriska (från E Llewellyn, Saskatoon)

Det sistnämnda instrumentet är ett bidrag från E J Llewellyn, Saskatoon. De två sidotittande fotometrarna täckte samma ultravioletta område som kanalerna l och 2. För att på bästa möjliga sätt skilja emissionen från en störande bakgrund var fotometrarna 5, 6 och 9 försedda med vippande filter som i en programmerad sekvens tidvis lutade filtret mot optiska axeln varigenom filtrets transmissionsmaximum flyttades från den undersökta atmosfärsemissionen till bakgrunden.

Den optiska utrustningen på S35 kompletterades av en jonprob och partikeldetektor för energetiska elektroner och uppmätning av elektrontätheten med hjälp av Faradayrotationen.  Dessa instrument var ett bidrag från Uppsala Jonosfärsobservatorium.

Petrel-sondens huvudinstrument var en pulsad urladdningslampa som utsänder syreatornens resonanslinje vid 130,4 nm. Linjen absorberas och sprids av syreatomer genom en resonant process, och registreringen av resonans absorptionen och den fluorescenta emissionen möjliggör tillsammans bestämningen av O-atomens ymnighet med både absolut noggrannhet och hög precision. Syresonden kompletterades här av en Langmuirsond för termiska elektroner. Dessutom var sonden försedd med ett nykonstruerat varmtrådinstrument, där den differentiella värmeöverföringen av värmeenergi från två trådar med olika s.k. ackomodationskoefficient till den mot raketen strömmande luften ger en information om luftmolekylernas medelhastighet, d.v.s den kinetiska temperaturen.

Markbaserade mätningar

OXYGEN-studiens mycket strikta experimentvillkor med avseende på störande himmelsemissioner gjorde det nödvändigt att i större utsträckning än tidigare optimera den markbaserade optiska utrustningen. Följande markbaserade instrument tjänstgjorde under den gångna kampanjen:

Nr  Instrument  Placering

1 

 Filterfotometer med dubbelbrytande filter för gröna syrelinjen (MISU).   Radornen, Scientific Center
2 Meridiansvepande fotometer för gröna och röda syrelinjerna,
N2+-bandet vid 391.4 nm samt bakgrund vid 552 nm (H Lauche,
MPI, Lindau) .		 Taket, Scientific Center
3a Svepande l-meters Ebert-Fastie spektrometer (MISU). 

Buss uppställd vid Landsat-
antennen

3b Filterfotometer för 391.4 nm (MISU).  Buss uppställd vid Landsat-antennen
4a Svepande 0.5 Ebertspektrometer för registrering av 1270 nm
emissionen från molekylärt syre och infraröda hydroxylband i olika
himmelsriktningar med kyld Ge-detektor. 		 Mätvagn vid Landsat-antennen.
4b Filterfotometer för nämnda emissionskomponenter, i olika himmelsriktningar.
(G Lange, Gesamthochschule Wuppertal) .  

Mätvagn vid Landsat-antennen.

 

Huvudsyftet med kombinationen av två svepande gitterinstru­ment var att för första gången kunna komplettera sondrake­ternas optiska data med en spektralt upplöst översikt över de aktuella emissionskomponenterna. Infrarödinstrumentets hydroxylspektra innehåller dessutom en information om det emitterade skiktets temperatur. Till detta kommer den tyska fotometerns förmåga att genom observationer i fyra olika riktningar ge en uppfattning om den horisontella transport­riktningen i det emitterande skiktet.


Sven Söderdahl med S35-sonden.

Projektorganisation

Viktigaste data för sondraketen S35

Viktigaste data för sondraketen S35

Rakettyp 

Nike-Orion, 3-fenor tillverkad av Hercules, USA

  • ”Tower tilt”-effekt: 13,7 km/grad
  • ”Unit wind”-effekt: 0,36 grad/m/s ballistisk vind
  • Serienummer: Nike S/N 25400, Orion S/N 17761
Startramp  Skylarktornet: 67°53'40"N 21°06'41"E 298 m over havet
Uppskjutning

7 februari 1980 kl 20:30:40 UT,

  • Temperatur -12°C, 710 mm Hg,
  • Markvind 1,5 m/s
  • Ballistisk vind 5,4 m/s från 237 grader.
  • Startrampens inriktning: Az=7 (350), El=83,9 (84,9). (Nominell )
Nyttolastmassa 135 kg
Nyttolastlängd 2952 mm
Nyttolastdiameter 360 mm
Telemetri  256,2 MHz, 3 Watt, “Quadraloop”-antenn PCM 256 kbit/s.
Radartransponder 5612 MHz upp, 5662 MHz ned.

Händelser under flygningen

Nominell tid (s) Höjd (km) Händelse
0 0 Niketändning
Raketen lyfter
Navelsträngen rycks ur
Tiddonet startar
55  58,8  Noskonen avskiljs
56   Nyttolastluckor lossas
56,5 60,8 Noskonen delas
58   Bommar fälls ut
198 153,8 Topphöjd
310 77,8 Nyttolasten avskiljs från raketen
Fallskärmen fälls ut.
1080 0 Nedslag

Flygbanan för S-35    

Flygbanan för S35

Topphöjd

Nedslag

Nominell 

Verklig

Nominell 

Verklig

Tid (s) Höjd (km) Tid (s) Höjd (km) Azimut (°) Avstånd (km) Azimut (°) Avstånd (km)

188

141

191,1 

144,5

350

70 

350 

70,5

Nedräkningar och uppskjutning

26 januari 1981
Nedräkning startade kl 19. Problem med nyttolastgyrot. Nyttolasten demonterades.

28 januari 1981
Ingen nedräkning på grund av starka vindar. Vid nyttolastprovet lösgjordes noskonen och skadade en fena. Utredning startade. Det som hände var att det mekaniska tiddon som styr avfyringen av alla pyrotekniska anordningar som lösgör noskon och diverse luckor startade. Orsaken till att det startade var att den stålsprint som håller tiddonet låst på marken av någon orsak dragits ur. Tiddonet gick igång och alla händelser utlöstes. Detta pinsamma missöde ledde till att man i senare raketsonder satte en barometrisk strömbrytare i serie med tiddonet. Då kan inte detta pinsamma inträffa om stålsprinten av misstag skulle dras ur på marken (1) .


S35-sonden hissas upp i Skylarktornet

29-31 januari 1981
Ingen nedräkning pga utredning och väntan på ny fena.

1 februari 1981
Nyttolastprov 1900 UT. Inställt 2340 UT pga för stark vind.

2 februari 1981
Nedräkning startade 1900 UT. Räkning till – 5 min. Inställt 0226 UT pga för mycket magnetisk aktivitet och molnighet,

3 februari 1981
Nedräkning startade 1900 UT. Vädret bra, men för mycket norrsken och moln. Inställt 0250 UT.

4 februari 1981
Nedräkning startade 1900 UT. Vädret bra, men för mycket norrsken . Inställt 0305 UT.

5 februari 1981
Nedräkning startade 1900 UT. Vinden bra, men för mycket norrsken och moln. Inställt 0224 UT.

6 februari 1981
Ingen nedräkning p.g.a. stark vind, snöfall och stark magnetisk aktivitet.  Inställt 2400 UT.

7 februari 1981
Nedräkningen började som vanligt klockan 19.00 UT. Klar himmel och perfekta vetenskapliga förhållanden. Vinden var marginellt innanför gränserna men med tendens att öka. Genom att snabba upp vissa delar av nedräkningen kunde uppskjutningen ske trettio minuter tidigare än planerat. Den brittiska  P219K-sonden sändes upp klockan 20.13.45 UT och S35 startade 20.30.40 UT. Om uppskjutningen hade fördröjts med en timme hade vinden varit för stark.

Telemetrin fungerade bra  för båda sonderna. Signalen förlorades efter 14 m 50 s för S-35 och efter  8 m 57 s för P219K. Den senare sände mycket längre än väntat – antingen landade den mjukt eller så ”seglade” den på fallskärmen. Radarn på Esrange följde S35 hela vägen och P219K upp till 110 km:s höjd. Radarn fick också en kort kontakt vid  + 7 m 50s i bäring 2 grader på avståndet 57 km.

S35-nyttolasten bärgades med helikopter tidigt nästa morgon. Nyttolasten hittades 71 km från Esrange i bäring 355o. Nyttolasten fördes tillbaka till Esrange hängande under helikoptern.  Hela bärgningsoperationen gick smidigt och helikoptern var tillbaka på  Esrange inom tre timmar. Nyttolasten var helt oskadad.


S-35-sonden redo för att lyftas "hem" till Esrange- Fallskärmen inpackad i plastpåse.

Preliminära resultat

Georg Witt, den vetenskaplige ledaren för projektet skrev den 3 mars 1981 (2) :

”… Således har det för första gången lyckats att kombinera en praktiskt taget komplett studie av syrekomponenternas airglowemissioner med en så gott som samtidig bestämning av det atomära syrets koncentration och möjligen även av den molekylära temperaturen, en studie som dessutom har kunnat kompletteras med markbaserade spektrala observationer.

De båda sondernas instrument har fungerat enligt förväntan. Samtliga fotometrar i OXYGEN-sonden verkar ha lämnat vetenskapligt värdefulla data med undantag för den kanadensiska IR-fotometern, som hade för låg ljuskänslighet i förhållande till emissionens ringa intensitet. Speciellt kan nämnas att syrets ultravioletta Herzberg- och Chamberlain-band för första gången har registrerats separat. Kontinuumfotometern har registrerat en relativt hög emissionsintensitet och tycks därmed bekräfta slutsatsen från det tidigare experimentet S13, nämligen att den förhöjda intensiteten hos elektronutfällningen under starkt störda perioder leder till en ökning av termosfärens kväveoxidkoncentration...”

Källor

  1. Enligt Malte Sjökvist, samtal den 10 december 2009
  2. OXYGEN-Kampanjen, Preliminär rapport, Georg Witt, 1981-03-03, Meteorologiska Institutionen, Stockholms Universitet.
  3. Report on sounding rocket launchings S25 and P219K during the OXYGEN campaign, Jan Englund, 26 februari 1981, Rymdbolagets rapport EF31-4
  4. Flight requirements plan for the S33 PIRAT and S35 OXYGEN sounding rocket campaign at Esrange January-February 1981, Kaj Lundahl, 29 september 1980. Rymdbolagets dokument S35/5.

Tillbaka till svenska rymdprojekt