Esta cuarta misión de la serie Mariner representó el primer sobrevuelo con éxito del planeta rojo y nos envió las primeras fotografías de la superficie del planeta. Era idéntica a la Mariner 3 y se diseñó para realizar detalladas observaciones científicas de Marte, incluyendo mediciones de las partículas y los campos interplanetarios en las cercanías de Marte.
La nave espacial Mariner 4 consistía en un octágono de magnesio, de 127 cm de largo y 45,7 cm de longitud. Cuatro paneles solares están montados en la parte superior del octágono de un extremo a extremo lapso de 688 cm, incluyendo paletas de la presión solar, montados en los extremos de los paneles. Una antena parabólica de 116,8 cm de diámetro fue montada en la parte superior del octágono. Una antena omnidireccional de baja ganancia fue montada en un mástil de 223,5 cm de altura al lado de la antena de alta ganancia. La altura total de la nave fue de 289 cm. En la parte inferior central de la nave espacial está la cámara de televisión en una plataforma de escáneo. El octágono contiene los equipos electrónicos, el cableado, el tanque de propulsión y 4 de actitud, el controlador de gas y los reguladores de actitud. La mayoría de los experimentos científicos se montaron en el exterior del octágono. Los instrumentos de la ciencia, además de la cámara de televisión, fueron un magnetómetro, un detector de polvo, el telescopio de rayos cósmicos, detector de radiación atrapada, la sonda de plasma solar, y la cámara de ionización / contador Geiger.La masa de la nave es de 260.68 kg.
La energía fue proporcionada por 28.224 células solares que están en los cuatro paneles solares de 90 x 176 cm , que podían proporcionar 310 W en Marte.Mariner 4 necesitaba 170w para operar. Una batería recargable de zinc/plata con capacidad de 1200 W fue usado para reservar energía durante la oscuridad . La propulsión usaba hidracina, 4 motores de 222-N en un motor estaba montado en uno de los lados de la estructura octogonal. El control de actitud fue controlada por 12 motores de nitrógeno frío montados en los extremos de los paneles solares y tres giroscopios. Las paletas de presión solar, cada uno con una superficie de 0,65 metros cuadrados, están montados en los extremos de los paneles solares. Se obtuvo información de la posición de la nave a través de cuatro sensores de sol, un sensor de Tierra, Marte, y un sensor de estrella Canopus.
Los equipos de telecomunicaciones consisten en un transmisor de doble banda S de 7 W triodo amp/10-W con cavidad TWTA y un receptor único que puede enviar y recibir datos a través de la antena de baja y alta ganancia en 8 1 / 3 o 3 ,1 / 3 bps. Los datos son almacenados en una grabadora de cinta con una capacidad de 5.24 millones de bits para su transmisión posterior . Todas las operaciones eran controladas por un subsistema de mando que puede procesar 29 palabras de mando directo o 3 comandos de palabra cuantitativos para las maniobras a medio camino. La computadora central y un secuenciador almacena el tiempo utilizando una secuencia de comandos de 38,4 kHz de frecuencia de sincronización como una referencia de tiempo. El control de temperatura se logró mediante el uso de persianas ajustables montados en los lados del octágono, varias mantas aislantes, protectores de aluminio pulido, y tratamientos de superficie..
Después de siete meses y medio de viaje y de una maniobra para corregir la trayectoria el 5 de diciembre de 1964, la nave sobrevoló Marte entre el 14 y el 15 de julio de 1965.
Durante esta fase se tomaron 21 imágenes más 21 líneas pertenecientes a la imagen número 22 que quedó interrumpida. Las imágenes cubrían zonas dispersas del planeta entre los 40ºN - 170ºE y los 35ºS - 200ºE, representando un 1% de la superficie total de Marte.
La máxima aproximación tuvo lugar a las 01:00:57 GMT del 15 de julio a una distancia de 9.846 km Todas las imágenes fueron almacenadas en la cinta de a bordo y luego enviadas a nuestro planeta. A las 02:19:11 GMT el Mariner 4 pasó por detrás de Marte (visto desde nuestro planeta) y las comunicaciones se interrumpieron. La señal fue readquirida a las 03:13:04 GMT cuando reapareció por la parte opuesta del planeta. Unas ocho horas después comenzó la retransmisión de las imágenes, que continuaron enviándose a la Tierra hasta el 3 de agosto. Todas las imágenes se enviaron por duplicado.
La nave cumplió todos los objetivos programados y se mantuvo enviando datos útiles hasta el 1 de octubre de 1965 a las 22:05:07 GMT cuando se encontraba a una distancia de 309 millones de km, momento en el cual la orientación de la antena no permitió el envío de más datos.
Se volvió a conectar de nuevo con éxito a finales de 1967. El detector de polvo cósmico registró 17 impactos en un periodo de 15 min el 15 de septiembre, fruto de una posible lluvia de meteoritos que modificó la orientación de la nave y dañó el escudo térmico. El 7 de diciembre se agotó el gas encargado de modificar la orientación de la Mariner 4 y entre el 10 y el 11 del mismo mes se detectaron 83 impactos de micrometeoritos, lo que modificó más su orientación y con ello se perdía potencia en la señal de radio. El 21 de diciembre finalizaron las comunicaciones con la Mariner 4.
Todos los experimentos de la misión funcionaron correctamente excepto la cámara de ionización que falló en febrero de 1965 y el sensor de plasma que se vio degradado tras el fallo de una resistencia el 6 de diciembre de 1964. Las imágenes devueltas mostraban un terreno craterizado similar al de la Luna (misiones posteriores mostraron que eso no era típico en Marte, tan solo de sus regiones más antiguas). La presión atmosférica medida varió entre 4,1 y 7 hPa y no se encontró ningún campo magnético..
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