Astronautika: misije

19. oktobra 2016. evropski lender ’Schiaparelli’ je pao na površinu Marsa ostavivši lep krater na Meridiani Planumu. Tako je završen prvi pokušaj Evropske kosmičke agencije da se meko spusti na Marsovu površinu (sonda ’Beagle 2’, koju je nosio ’Mars Express’ nije bila Esin projekat). Nakon preliminarne istrage, u kojoj su se različiti podizvođači na prilično ružan način međusobno optuživali, utvrđeno je da se uzrok krio u inercijalnoj mernoj jedinici (IMU) američkog proizvođača. Konkretno, rečeno je da je u trenutku odvajanja od padobrana IMU (žiroskop) bio preopterećen, što je dovelo do toga da je brodski računar pogrešno procenio položaj sonde u odnosuna tlo. Sada, osam meseci kasnije, pojavio se izveštaj ’Schiaparelli anomaly’, kako su ga u ESA nazvali. Kakav je zaključak?

1
ESA/Roskosmos „ExoMars 2016“.

Pa, na kraju je rečeno da je direktni krivac za incident IMU, iako je, kao što se uvek dešava u ovakvim slučajevima, stvar izgleda malo složenija. Pogledajmo kakav je bio sled događaja. Došavši u blizinu Marsa, posle 7 meseci leta, „Schiaparelli“ je 19. oktobra probuđen iz hibernacije u 13:29:48 UTC, nakon što je 3 dana ranije odbačen od orbitera „ExoMars 2016 TGO“[1]. Akcelerometri su registrovali ulazak u Marsovu atmosferu[2] u 14:22:22, a samo par minuta kasnije sonda je počela neočekivano da se okreće.

Kada je sonda dostigla ubrzanje tačno određeno prethodnim proračunima, u 14:45:23 automatski je otvoren padobran. Do tada se sonda okretala brzinom od 3 stepena u sekundi. Padobran, prečnika 12 metara, otvoren je na oko 11 km dok je sonda letela brzinom od oko 1.730 km/h. Otvaranje padobrana je trajalo manje od jedne sekunde, ali je izazvalo oscilacije letilice sa frekvencom od 2,5 Herca[3]. Otprilike 0,2 sekunde nakon početka otvaranja, IMU je zabeležio veću ugaonu brzinu od predviđene u prethodnim brojnim simulacijama. Kao rezultat, IMU se našao preopterećenim te prestaje da šalje korisne podatke. Softver za navođenje i navigaciju (GNC) je u tom periodu zasićenja shvatio da je ugaona brzina sonde ona poslednja koju je zabeležio IMU, ali se zapravo „Schiaparelli“ snažno ljuljao, i u deliću sekunde softver je poverovao da je sonda okrenuta naopačke (160°). Konačno, padobran se otvorio a nagle oscilacije su prestale.

2
Inerciona jedinica MIMU
(Miniature Inertial Mesurement Unit) kompanije „Honeywell“ kakvu je nosio „Schiaparelli“. Sistem poseduje set akcelerometra i žiroskopa koji snima sile i brzinu rotacije i podatke žalje kontrolnom sistemu GNC (Guidance, Navigation and Control system). IMU omogućava letilici – ili avionu ili raketi – orijentaciju i utvrđivanje položaja u svakom trenutku, bez potrebe za spoljnjim referencama. Sistem je programiran da toleriše rotacije od 150°/sec, ali sve ukazuje da se sonda okretala brzinom od preko 180°/sec što sistem za orijentaciju nije umeo da „svari“.

3
Dobra slika lendera!

4
Elementi EDM.

5
Snimci MRO Context Camere mesta pada “Schiaparellija” pre (29. maj 2016.) i posle (20. oktobar 2016.). Crna tačka je mesto pada lendera, a bela padobran.

6 7

Ostaci „Schiaparellija“ na površini Marsa koje je snimila kamera HiRISE sonde MRO. Na donjoj slici se vidi padobran i termički štit. Mesto pada je samo oko 54 km od rovera „Opportunity“, pa je postojao plan da rover snimi faze spuštanja, ali pokušaj nije uspeo! Krater je dubok 50 cm i ima prečnik od 2,4 metra.

Sonda je nastavila da se spušta, i 40 sekundi nakon što je otvorila kočioni padobran odbačen je prednji termički štit[4]. U 14:46:19, petnaest sekundi nakon odbacivanja štita, uključen je Doplerov radarski visinomer, ključni aparat za precizno utvrđivanje visine i brzine lendera. Međutim, za projektovanje radarskih podataka navigacioni sistem je koristio pogrešnu procenu orijentacije sonde nastalu u vreme preopterećenja IMU. Zbog tog neslaganja između stvarnih radarskih očitavanja i – neistinite – orijentacije sonde na osnovu GNC, brodski računar je proračunao da se sonda već nalazi ispod površine! Pošto ni posle 5 sekundi nije došlo do neke ispravke podataka, sistem GNC je naredio odbacivanje padobrana i zadnjeg štita u 14:46:49. Samo 2 sekundi kasnije 9 hidrazinskih retro-motora, koji su trebali da skoro do nule uspore lender prilikom sletanja, stupilo je u akciju.

Ali pošto je računar zaključio da se već nalazi pod zemljom, motori su proradili samo ~3 sekunde (umesto makar 30) pre nego što su se isključili, kada je „Schiaparelli“ bio na visini od 3,7 km. Pri slaboj Marsovoj gravitaciji lender je nastavio slobodno da pada još 34 sekunde, te je u 14:47:28 UTC tresnuo o tlo brzinom od 540 km/h[5]. Kraj priče.

8
Faze spuštanja „Schiaparelli“ i uključivanje različitih sistema. Narandžasto su algoritmi sistema GNC koji su korišćeni za izvršavanje planiranih sekvenci. Plavo su funkcije GNC, a crveno faze spuštanja „Schiaparellija“.

9
Elementi sonde EDM „Schiaparelli“.

10
Planirane sekvence sletanja „Schiaparellija“.

11 12

Termički štitovi lendera.

13
Mesto pada evropsko-ruskog lendera.

14
Testiranje „Schiaparellijevog“ radara u marokanskoj pustinji.

Odmah posle nesreće svi su se slagali da je talijanski padobran izazvao ljuljanje koje je zaludelo IMU i daje zato padobran krivac za incident. NASA je smatrala da je možda softver, koji su napravili Španci, potencijalni krivac jer je naredio prevremeno isključivanje motora. Ipak, ne. Istraga je utvrdila da padobran ne može da bude krivac za oscilacije kojima je lender bio izložen. Zapravo, simulacije koje je izvela Nasina laboratorija JPL pokazale su da u velikom broju slučajeva ugaona brzina tokom ulaska u atmosferu može da izazove preopterećenost IMU. Slično tome, padobranski eksperimenti izvođeni u aero-tunelima pokazali su da nepravilno ponašanje „Schiaparellijevog“ padobrana ulazi u raspon onoga što se moglo očekivati u Marsovoj atmosferi.

15
Testiranje padobrana u Nasinom Ames Research Centru 2015.

16
Sletanje na Mars nije lako i zahteva brzo usporavanje.

Dakle, šta je onda izazvalo snažno ljuljanje padobrana koje je dovelo do preopterećenja IMU-a? To niko sa sigurnošću ne zna, ali istraga sugeriše da bi razlozi mogli da budu jaki vetrovi u Marsovoj atmosferi, nesimetrično naduvavanje kupole, ili neočekivano ponašanje prirubnica padobrana. Pored toga, „Schiaparelli“ je takođe u periodu između ulaska u atmosferu i otvaranja padobrana iskusio izuzetno veliku brzinu rotacije. Da li je to moglo da dovede do nesreće? Istraga kategorično kaže da nije i da su takve brzine sretane i u nekim prethodnim misijama, kao u slučaju „Opportunityja“. Moguće je da je nejednak nanos ablativnog materijala na termo-štitu izazvao intenzivnu rotaciju...

Na kraju, u raportu je zaključeno da se „Schiaparelli“ srušio jer otvaranje padobrana nije bilo adekvatno modelirano. Da oscilacije nisu izazvale preopterećenje IMU ne bi se dogodio lanac događaja koji je kulminirao udarom od 540 km/h. U svakom slučaju, istraga je zaključila da kojim slučajem IMU nije bio blokiran tako dugo, ili da je GNC obradio podatke IMU na drugačiji način, do nesreće ne bi ni došlo. Proizvođači koju su snabdevali Esu su tvrdili, naprimer, da IMU može biti blokiran svega 15 milisekundi, a u stvarnosti je bio van opticaja duže od 5 sekundi. Istraga je utvrdila da je vreme blokiranja IMU bilo kao što je planirano, „Schiaparelli“ bi sleteo bez problema.

Na taj način je istraga zaključila da je dobro baciti svu krivnju na komponentu američkog proizvođača i omogućiti ESA da opere ruke u ovom slučaju[6]. Druga je stvar kada se činjenice pravilno interpretiraju i kada se stvar pogleda objektivno. Očigledno je da se „Schiaparelli“ nije srušio zato što je američki IMU bio dobar ili loš, već zato što nije bilo dobro razrađeno otvaranje padobrana, kao i zbog loše komunikacije između rukovodilaca projekta i kontraktora.

Kako je moguće da niko nije pretpostavio da IMU može da se blokira duže od referentnih 15 milisekundi? Kako je moguće da se niko nije zapitao šta će biti ako se IMU preoptereti baš prilikom otvaranja padobrana, tačnije u fazi misije u kojoj je sonda najosetljivija na iznenadno ljuljanje? Kako je moguće da je GNC sistem programiran da prihvata očigledno pogrešne podatke sa IMU iako je Doplerov radar očitavao potpuno drugačiju situaciju (fizički je nemoguće da se sonda istovremeno nalazi pod zemljom i da prima radarski eho sa površine, ali GNC sistem nije programiran da prihvati to stanje)? Kako je moguće da je granica ugaone brzine podešena na oko 150° u sekundi, iako su druge simulacije pokazivale da se ta ugaona brzina da lako premašiti?

Ukratko, „Schiaparelli“ se nije srušio zbog lošeg IMU već zbog nedoboljnog budžeta. Lanac pogrešaka na „Schiaparelliju“ podseća na kvarove koji su pratili britansku sondu „Beagle 2“ ili Nasin „Mars Polar Lender“. U oba slučaja krivac je bio vrlo slab program testiranja izazvan nemanjem para za puni razvoj projekta uz minimum sigurnosti.

17
Sletni modul „ExoMarsa 2020“ koji se proizvodi u saradnji sa Rusijom.

Naravno, raport je pokazao da je misija „Schiaparelli“ bila skoro potpuno uspešna, uprkos prisilnom litokočenju, i nadamo se da ništa od toga neće da se desi modulu „ExoMars 2020“, koji se planira u saradnji sa Rusijom (ne zaboravi da će u toj misiji učestvovati i jedan rover koji treba da traži biomarkere u Marsovom tlu). Doplerov radar, GNC sistem i atmosferski i dinamički modeli za „ExoMars 2020“ biće bazirani na „Schiapparelliju“, ali IMU će biti drugačiji, kao i padobrani (mada će proizvođač biti isti). Nadajmo se da su lekcije naučene.

 

[1] Težina obe letilice je bila 4.332 kg, od čega je na „Schiaparelli“ otpadalo 600 kg. Bila je to najteža letilica ikad poslata na Mars!

[2] Bilo je to na visini od 122,5 km i pri brzini od ~21.000 km.

[3] Ma prave se pametni: Herz je jedinica za oscilaciju (cela oscilacija – tamo, 'amo), prikazuje broj u sekundi. Znači, sonda je za 1 sekundu napravila 2,5 ciklusa.

[4] Padobran je odbačen na visini od 11 km, a odbacivanje štita i uključivanje Doplera na 7,8 km i pri brzini od 320 km/h.

[5] Sonda je u sebi imala još dosta goriva i bila je teška preko 300 kg!

  Od ulaska u atmosferu lender je preko svog orbitera poslao na Zemlju oko 600 MB telemetrije, tako da se zna da su podaci o radu svih sistema stizali još 19 sekundi posle prestanka rada motora.

[6] Zna li neko od čitalaca odakle potiče ovaj izraz „prati ruke“ od nekeg problema? Voleo bih da čujem koliko je ko opšte obrazovan.

Draško Dragović
Author: Draško Dragović
Dipl inž. Drago (Draško) I. Dragović, napisao je više naučno popularnih knjiga, te više stotina članaka za Astronomski magazin i Astronomiju, a učestvovao je i u nekoliko radio i TV emisija i intervjua. Interesuje ga pre svega astronautika i fizika, ali i sve teme savremenih tehnologija XXI veka, čiji detalji i problematika često nisu poznati široj čitalačkoj publici. Izgradio je svoj stil, lak i neformalan, često duhovit i lucidan. Uvek je spreman na saradnju sa svojim čitaocima i otvoren za sve vidove komunikacije i pomoći. Dragovićeve najpoznatije knjige su "KALENDAR KROZ ISTORIJU", "MOLIM TE OBJASNI MI" i nova enciklopedija "NEKA VELIKA OTKRIĆA I PRONALASCI KOJA SU PROMENILA ISTORIJU ČOVEČANSTVA"

Zadnji tekstovi:


Komentari   

drago
0 #4 drago 08-06-2017 11:49
MIrolade tako je! Drago mi je da ljudi koji čitaju moje price znaju I takve stvari. Znaš I sam da nas nema mnogo
Pozdrav!
Prijavi administratoru
drago
0 #3 drago 08-06-2017 11:29
Zdravo Nikola.
Zanimljiva ideja. Nisam ništa čitao o tome ali kao ideja stvar je OK. Jedino što tu pravi problem to je TEŽINA. Sve što ima veze s (elektro)magnet ima ima direktnu funkciju u težini I el. struji. Svi se trude da prave stvari što prostije I lakše, jer cena kg u orbiti je ogromna.
Hvala na čitanju I pitanju
Prijavi administratoru
MIrolad
0 #2 MIrolad 07-06-2017 19:31
Izraz „prati ruke“ potiče verovatno iz Novog zaveta, zbog Pilatovog pranja ruku od presude Isusu, bar je to najpoznatiji primer (Pontije Pilat je oprao ruke javno, jer nije želeo da ima svog udela u smrti Isusa Hrista).
Prijavi administratoru
Nikola
0 #1 Nikola 07-06-2017 18:41
Davno sam negdje cuo da su Rusi probali da zamijene termo-stit jakim magnetnim poljem koje bi cuvalo letjelicu od visokih temperatura prilikom ulaska u atmosferu. Isprva mi se cinilo suludim, ali onda sam se sjetio da se u fuzionim reaktorima (tokamak) koristi snazno magnetno polje kako bi drzalo vrelu plazmu dalje od zidova reaktora. Da li znate je li takvo nesto primjenjivo na svemirskim letjelicama?
Prijavi administratoru

Dodaj komentar


Sigurnosni kod
Osveži