Astronautika: misije

U vreme kada je lansiran, većina čitalaca ovog texta nije bila ni rođena. Ako gledamo samo to, ne bi trebali ni da pričamo o njemu. Ali ako kažem da pričamo o 'Voyageru 1'[1], stvari se menjaju. On se trenutno nalazi na 21.150 miliona km (141,4 AJ) od Zemlje i čini najudaljeniji uređaj koji je čovek napravio ... a proteći će još puno vode Moravom dok neki brod ne napusti solarni sistem većom brzinom od 61.200 km/h, što je brzina kojom se ovaj veteran udaljava od Sunca. Zapravo, 'Voyager 1' još od 2012. leti, tehnički gledano, kroz međuzvezdani prostor, nakon što je presekao heliopauzu, nevidljivu granicu solarnog carstva. Ako misliš da je zapanjujuće da elektronika na ovom brodu i njegovom sabratu nastavlja da u najnegostoljubivijem mogućem okruženju radi i posle 40 godina, šta ćeš da kažeš ako ti šapnem da je 'Voyager 1' uključio neke svoje motore ... 37 godina od kada je to učinio poslednji put!

v1

Ako želimo da 'Voyager'[2] bude što duže vremena od koristi, potrebno je da zadrži svoju glavnu antenu prečnika 3,66 metra usmerenu ka Zemlji s greškom od samo 0,1 stepen, za šta brod s vremena na vreme mora da uključuje brodske motore – sonda je orijentisana u sve tri ose i tačno zna gde treba da usmeri antenu zahvaljujući samom komunikacionom signalu, solarnom senzoru i paru zvezdanih senzora usmerenih ka Kanopusu (mada 'Voyager 1' ume da uzme i Alfu Kentaura kao referencu). Iz tog razloga svaki 'Voyager' je opremljen sa 16 trastera snage 0,89 njutna (~90 grama) koji rade na hidrazin[3]. Dvanaest od njih – AP (Attitude Propulsion) – služi za 3-osnu kontrolu orijentacije i stabilizaciju broda i podeljeni su na dve grupe – primarnu i pomoćnu. Preostala četiri su dizajnirana za manevre energičnije promene trajektorije, nazvani su TCM (Trajectory Correction Maneuver), i nisu uključivani od novembra 1980. godine ostajući u rezervi.

v2 Trasteri na kosmičkoj sondi. Plavim su obeležena četiri TCM trastera su okrenuta u istu stranu i nisu uparena; ljubičastim je obeležen set za kontrolu 'valjanja' (roll) – dve grane za +roll i – roll; zelenim je obeležen set za 'skretanje' (yaw) [ili 'propinjanje' (pitch), u zavisnosti kako se definišu ose; takođe imaju dve grane za +yaw i -yaw]; narandžasti par isto ima dve grane za +pitch (propinjanje) (ili skretanje u zavisnosti od definicije; ne vidi se još par –pitch, skriven negde odozdo).

2014. neveliki 'Voyagerov' kontrolni tim (pogledaj ovo!) u Kaliforniji dobio je uzbunu, jer je telemetrija otkrila se performanse trastera za orijentaciju vrlo brzo kvare, trošeći sa svakim uključivanjem sve više i više hidrazina (zanimljivo je da su tokom misije obe sonde pretrpele gubitak po nekog od trastera: 'Voyager 1' je izgubio jedan motor za skretanje, a 'Voyager 2' po jedan za propinjanje i skretanje.) Iako u tim uključivanjima motori troše vrlo malo goriva, svaka kap je dragocena[4]. Na kraju krajeva, niti ima ko niti ima gde da se dopune rezervoari. Sonde su lansirane sa po 104 kg hidrazina smeštenog u titanijumskom sfernom rezervoaru prečnika 71 cm (u njemu se nalazi elastični baloni) montiranom u srcu letilice. Cirkulisanje hidrazina kroz sistem cevi postiže se helijumom pod pritiskom od 3,1 megapaskala. Pre nedavnouočenih problema sa trasterima, NASA je računala da će 'Voyager 1' imati dovoljno hidrazina do 2040, a 'Voyager 2' do 2034. godine (ovaj drugi je posetio još dve planete, Uran i Neptun, te je manevrišući potrošio više goriva za). Znači, više nego dovoljno.

No pad performansi motora 'Voyagera 1' preti da mu skrati radni vek i pre nego što tri plutonijumska radioizotopska generatora (RTG) prestanu da proizvode dovoljno struje za rad podsistema i grejača. Istina je da gubitak performansi nije dramatičan, ali je evidentan. Sve do sada, smatralo se (a i bilo je logično) da će glavni limitirajući faktor 'Voyagera 1' biti njegovi RTG. Zato je trebalo pronaći rešenje da bi brod nastavio međuzvezdano istraživanje. I NASA ima lampice koje se uključuju, pa se setila mogućnosti korišćenja četiri TCM trastera koji nisu paljena od 8. novembra 1980. i susreta sa Saturnom. Pošto su korišćeni ređe od ostalih, smatralo se da neće pokazivati znakove ikakve degradacije i da će moći da prištede dragoceni hidrazin. Problem je u tome što su ti motori programirani da rade u kontinuitetu, umesto u pulsevima od po desetak ili manje milisekundi[5], kao svi ostali. Trenutni tim 'Voyagera 1' koji sedi u Pasadeni morao je da se baci na neku vrstu kosmičke arheologije ne bi li našli softversku dokumentaciju za brod – i asembler – da bi bili sigurni da će TCM trasteri moći da generišu impulse vrlo kratke dužine bez rizika za gubitak misije.

v3
Šema 'Voyagerovog' pogonskog sistema
. U sredini se vidi red 16 trastera potiska po 90 grama, dok su ispod isprekidane linije prikazan motor 'Star-37' na čvrsto gorivo koji je odbačen čim je dao sondi ubrzanje.

Konačno, pre desetak dana, 28. novembra, 'Voyager 1' je probno uključio TCM trastere prvi put posle 13.534 dana … i radili su kako je isplanirano, mada je bilo potrebno sačekati preko 19,5 sati da bi se potvrdio uspeh testa: toliko treba svetlosti (i radio-signalu) da prevali put kroz međuzvezdani prostor do naše planete. Sada 'Voyagerov' tim proračunava na koji način bi mogao da rutinski koristi te trastere počev od januara. Međutim, izbor ima i neke mane, jer je pre uključivanja potrebno zagrejati motore do temperature od 116°C, što je komplikovan zahtev obzirom na mali energetski budžet kojim raspolaže RTG (svaki traster ima i svoj grejač, a svaki troši minimum 1,4 W struje). Kada uranijumski termogeneratori prestanu da daju dovoljno struje za napajanje grejača ponovo će se preći na korišćenje starih trastera za stabilizaciju, iako su definitivno izraubovani. NASA namerava da i kod 'Voyagera 2' takođe iskoristi TCM trastere radi produžetka misije, iako paradoksalno normalni trasteri ne pokazuju isti stepen degradacije kao na drugoj sondi, uprkos njihovom dužem korišćenju.

16 monopropelantnih trastera na 'Voyagerima' potiču iz velike porodice motora MR-103, koje danas prodaje kompanija 'AeroJet Rocketdyne'. Motori su teški po 200 grama i konstruisani su za radni vek od 400.000 uključivanja (!) Različite varijante MR-103 bile su ugrađene u skoro sve Nasine sonde, uključujući 'Cassini', 'New Horizons', 'Dawn', 'Magellan' ili Marsove sonde, uključujući sve tipove satelita (ustvari, identični su onima koje koriste GPS satelite). Ti motori su zgodni jer gorivo koje oni koriste ne zahteva sistem za ubrizgavanje. Oni koriste spontani katalizator baziran na aluminijum-dioksidu koji razgrađuje hidrazin (N2H4) na smešu kiseonika, amonijaka i vodonika. To je snažna egzotermička reakcija, i stvoreni gas dostiže temperaturu od oko 1.000°C. 'Voyageri' koriste ultračisti hidrazin koji je proizvela stara virdžinijska kompanija 'Olin Chemical'[6] jer je otkriveno da komercijalni hidrazin – koji ima manje od 1% vode i 0,5% anilina – izaziva postepenu degradaciju goriva. (Čist monopropelantski hidrazin sadrži manje od 0,005% anilina i manje od 0,003% ugljeničnih materijala).

v4
Traster MR-103G (na slici) vrlo je sličan onima koji su ugrađeni na 'Voyagere'.

Ali bez obzira na moguću uštedu hidrazina, oba 'Voyagera' broje dane zbog RTG-a. Generatori 'Voyagera' (model MHW-RTG) nastavljaju neumoljivo da gube oko 4,3 vata snage godišnje usled spontanog raspada 4,5 kg plutonijuma-238. NASA procenjuje da je potrebno makar 200 W[7] da bi 'Voyager 1' funkcionisao bez aktivnosti naučnih instrumenata, dok je u sličaju druge sonde vrednost nešto niža (198 vata). Najveći deo te energije biva emitovan preko glavne antene i signala jačine samo 22,4 W (mnogo manje od sijalice u frižideru!) Iako su svi glavni instrumenti već davno isključeni, a ostali su da rade samo eksperimenti povezani za proučavanje plazme i čestica[8], od 2020. NASA će biti prinuđena da i te instrumente polako isključuju jedan po jedan zbog sve izraženijeg gubitka struje. Smrt od hipotermije zadesiće obe sonde približno negde posle 2025. godine. (Šmrk...)

v4a
Radioizotopski generatori 'Voyagera'.

v5
Status aktivnih instrumenata na sondama.

v6
Tanjir glavne komunikacione antene. Kada stignu do Zemlje, signali koji se šalju preko ovakvog tanjira imaju 'snagu' od samo 10-18 W. Do kraja misije sa Neptunom, na Zemlju je stiglo isto informacija koliko ih staje u 6.000 kompleta 'Enciklopedije Britanike', ili po 1.000 bita po glavi svakog stanovnika naše planete.
Godinama je NASA sa svakog „Voyagera“ primala izveštaje o njihovom statusu jednom nedeljno. Međutim, pre par godina ta praksa je prekinuta, kaka piše u izveštaju Nase, „zbog manjka interesovanja i otpuštanja nekih od članova tima zbog manjka posla“. Koga interesuju detalji, evo Sequence of Events and Space Flight Operations Schedule

Postoji još jedan limitirajući faktor za ovu misiju, a to je komunikacija[9]. Od 2010, NASA može da komunicira sa 'Voyagerom 1' samo preko svojih najvećih, 70-metarskih antena kosmičke komunikacione mreže DSN. Ubrzo će i 'Voyager 2' zahtevati upotrebu ovih skupih antena, uz dodatni otežavajući faktor a to je da neće sve DSN antene biti u stanju da hvataju letilicu zbog njenog položaja na nebu. Ne treba zanemariti ni sve veći problem oko poznavanja kako išta na sondama funkcioniše, jer je izvorna dokumentacija izgubljena/uništena, dok je osoblje koje je bilo uključeno u ovu misiju ili u penziji ili u večnim lovištima. U ovom trenutku, najveći problem predstavlja softver za brodske računare, jer danas više niko ne 'govori taj jezik'.

v7
Trajektorija 'Voyagera 1' gledana sa Zemlje
, odvojila se od ekliptike 1981. nakon posete Saturnu i danas se kreće ka sazvežđu Ophiuchus.

v8
Poređenje jedne od ogromnih antena (mislim da je ovo ona iz Kambere) koje prate 'Voyagere'. Svaka od njih redovno prati i 30-ak drugih letilica, i izboriti se za slobodan termin je skoro nemoguće.

v9
Kada su 1977. bili lansirani, 'Voyageri' su bili tehnološko čudo svog vremena. Njihovi računari (iste su koristili i 'Vikinzi'!) imaju su po tri podsistema, od kojih svaki ima i rezervu: Computer Command System (CCS), Flight Data Subsystem (FDS, da slici), i Attitude and Articulation Control System (AACS).
FDS može da vrši oko 81.000 operaciju u sekundi, a procesor iPhonea odrađuje 200 milijardi u sekundi!

v10
Količina memorije kojom su raspolagale prve kosmičke letilice su danas smešne, ali kvalitet je ono što zapanjuje!

Sonde raspolažu memorijom od samo 68,6 KB – da, kilobajta, a ne megabajta – i dva rezervna procesora, koji teraju programere na sve moguće trikove ne bi li maksimizovali ograničene računske kapacitete sondi. Ako tome dodamo svu silu 'zakrpa' (patches) i apdejtova softvera tokom svih ovih godina, imamo neverovatni haos od kodova za čija tumačenja treba ogromano iskustvo programera. NASA poseduje softverske simulatore da bi bili 100% sigurni da neće neka poslata instrukcija izazvati dizaster, ali su sve veći troškovi da se uvežbavaju mladi programeri u softverskoj umetnosti iz 70-ih godina.

Putovanje ovih glasnika naše jadne vrste neće se prekinuti ni kada budu poslali svoje poslednje nečujne signale. Dve sonde će nastaviti da jezde međuzvezdanim prostranstvom zauvek. Za možda četrdeset hiljada godina 'Voyager 1' će proleteti na 1,6 sv. godina od rendgenske zvezde AC-793888 u sazvežđu Camelopardalis. Nadam se da ćemo se do tada opametiti...

v11
Iznenađujuća slika radio-signala 'Voyagera 1' koju je napravio radioteleskop VLBA 2013.
U to vreme sonda je bila udaljena oko 11,5 milijardi milja.

 v12

v13

[1] Niko ko čita o 'Voyagerima' ne bi smeo da omaši povremeni pogled na ovaj sajt.

[2] O ovim misijama pišem već godinama i pratim sva njihova bitna dostignuća. Ovo su samo neki od mnogih textova: Veliko putovanje 'Voyagera', Brzina 'Voyagera',  Intrevju sa Voyagerom 2' sa obala solarnog sistema,  „Voyager 1“ i zvezda Gliesse 445,  Uhvaćen 'Voyager 1",  Ide, ide, ali dokle? 'Voyager 1' je...,  'Voyager-1' konačno slobodan, i još mnogo drugih.

[3] Uzgred da objasnim: iz mlaznica motora izlazi gas, ali je hidrazinsko gorivo u rezervoarima u tečnom stanju, te se uz pomoć Šelovog katalizatora pretvara u gas.

[4] Koliko se sećam, letilice su krenule sa ~100 kg hudrazina a sada raspolažu sa još recimo četvrtinom ili petinom. Kada je 1977. trebalo da 'Voyager 1' izvede manevar podešavanja trajektorije pored Jupitera, potrošeno je svega oko 2 kg hidrazina umesto planiranih 14 kg, tako da su obe letilice sačuvale više goriva nego što su se nadale. Na ovom sajtu iz 2011. piše da je 'Voyager 1' tada imao još 25,9 kg hidrazina, a da za svako korigovanje položaja antene troši samo oko 100 grama! Radi poređenja: pronašao sam podatak da je od lansiranja do Neptuna 'Voyager 2' leteo 4.388 dana. Za to vreme glavni i pomoćni trasteri su uključivani između 175.000 i 345.000 puta, u gavisnosti od grane.

[5] Te motore tehničari u Nasi zovu 'puff', imitirajući zvuk koji oni prave za taj delić milisekunde.

[6] Kompanija je nastala od dve kompanije koje su osnovali milijarderi još u pretprošlom veku. Za vreme svetskih ratova snabdevali su barutom i šaurama svakog ko je bio spreman da plati. Danas su vodeći u svetu po proizvodnji hlora, kaustične sode i municije i svake godine okreću milijarde dolara.

[7] Sonde imaju po 3 RTG-a, koji su na dan lansiranja proizvodili 470 W struje. Proračuni kažu da njihova snaga opada za 0,787% godišnje.

[8] Kod 'Voyagera 1' trenutno rade 4 od 10 instrumenta (CSR, LECP, MAG i PWS), a kod 'Voyagera 2' 5 od 10 (CSR, LECP, MAG, PWS i PLS).

[9] Podsećam da „Vojager 1“ već decenijama beži od nas brzinom od skoro 63.000 km/h!
  Ipak, kako sam već izneo svoje mišljenje u nekom textu, ako 'Voyageri' budu morali da se presele u istoriju pre dosezanja tehničkih limita biće to zbog para. NASA dobija sve manje za svoje potrebe – na vrhuncu, 1966. godine, NASA je dobijala 4,41% američkog budžeta, a 2017. samo 0,489%. Koliko čujem, za „Voyagere“ svake godine jedva nađe nešto manje od $4 miliona.


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:


Dodaj komentar


Sigurnosni kod
Osveži

 

leksikon 190 

akl18 baner


stranica posmatraci

CURRENT MOON


tvastronomija18