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La nave espacial Hayabusa se lanzó el 9 de mayo de 2003 a 04:29:25 UTC con un cohete M-5 desde el Centro Espacial Uchinoura (todavía llamado en ese momento el Centro Espacial Kagoshima), el nombre de la nave espacial se cambió del MUSES-C original a Hayabusa, la palabra japonesa que significa halcón. La nave espacial cuenta con un motor iónico de xenón que operó casi continuamente durante los dos primeros años de la misión, acercándose despacio a la cita con 25143 Itokawa de septiembre de 2005. La nave espacial no entró en la órbita alrededor del asteroide, pero permaneció estacionada en la misma órbita heliocéntrica del asteroide.
Después de unos meses cerca del asteroide, la nave espacial disparó sus motores para empezar su crucero de vuelta a la Tierra. La cápsula del reentrada, que contenía las muestras del asteroide Itokawa, se separó de la nave nodriza a una distancia de aproximadamente 300.000 a 400.000 km de la Tierra, y navegó en una trayectoria balística, reentrando en la atmósfera de la Tierra el 13 de junio de 2010 a una velocidad de 12.000 metros por segundo. La cápsula experimentó desaceleraciones máximas de aproximadamente 25 G y sufrió aproximadamente 30 veces más calor que los experimentados por la nave Apollo. Aterrizó con paracaídas en el desierto de Woomera Sur, Australia.
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