Svi smo do sada stoput čuli za gravitacionu asistenciju. Zapravo, svaka međuplanetna misija podrazumeva proletanje pored neke planete radi ekonomičnog dobijanja na brzini i korigovanja ravni leta. Zanimljivo je da je prvi na tu ideju došao pre 99 godina astronom-amater Juri Konratjuk, o kome sam već pisao, a da je sonda „Luna-3“ prva to 1959. sprovela u delo. Čuo sam da će evropska misija ’JUICE’ morati da proleti čak 5 puta pored različitih planeta da bi stigla do Jupitera!
Sve misije o kojima sam u poslednje vreme pisao imale su u svom itinereru proletanje pored jedne ili više planeta. Cilj je jasan: uštedeti vreme i gorivo, što u krajnjoj instanci znači – pare!
Da bih objasnio o čemu se radi, morao sam da nađem neki primer. Izbor je pao na misiju koju pratim poodavno, još od lansiranja 2007. – to je misija veterana „Dawn“, koja je bezmalo već punu deceniju u kosmosu. Jedan od njegovih prvih velikih zadataka je bilo proletanje pored Marsa. Danas bih želeo da tom događaju posvetim malo više pažnje i zajedno vidimo šta se i kako dešavalo u tom periodu misije.
Sonda je lansirana 27. septembra 2007. i sve je manje-više proticalo po planu. Preko 85% prve faze leta proticao je u konstantnom jonskom pogonu (uvek samo s jednim od tri raspoloživa motora!), s planom da sonda stigne do Marsa 17. decembra 2009. Trebalo da je njegova gravitacija pomogne da sondi stigne na randevu sa Vestom i Ceresom u još daljem asteroidnom pojasu. Čak ni izuzetna sposobnost sistema na jonski pogon nije bila dovoljna za takav ples da nije bilo pomoći Marsa.
Ali samo doleteti u blizinu Marsa nije bilo dovoljno, kao što je proletanje pored planete bio samo jedan kratak segment u vrlo dugom rasporedu radova. Koreografija „Dawnove“ trajektorije predstavljala je složeni pokušaj iznalaženja najefikasnije rute kroz solarni sistem da bi se sa jedne pokretne platforme sa koje se startovalo (Zemlja) stiglo do Marsa, ali na takav način koji bi omogućio da se stigne do Veste u pravom trenutku da se tamo završe stvari i onda započne putovanje ka Ceresu i susret sa njim po rasporedu. Da bi gravitaciona „praćka“ postigla željeni efekat, „Dawn“ je morao da stigne do Marsa na vreme i da putuje u pravom smeru. Proletanje letilice kroz taj „prozor“ na Marsu bilo je slično prolasku kroz nekakve zamišljene zvezdane iglene uši.
Tokom prvih dana 2009. godine, inženjeri su zaključili da je međuplanetna ruta njihove letilice toliko bliska proračunatoj da nije bilo potrebe korigovati je. To je bila posledica prvog korektivnog manevra (TCM1) izvedenog 20. novembra 2008, kada je ksenonski motor #1 radio na tome 2 sata i 11 minuta[1]. Uz to, ispostavilo se da „Dawn“ nije morao da bude toliko precizno upravljan kao većina letilica prilikom gravitacionih asistencija. Pošto je planirano da jonski pogonski sistem bude intenzivno korišćen sve vreme od Marsa do Veste, smatrano je da će biti dovoljno vremena da se sve devijacije putanje isprave na vreme.
Ipak, „pogoditi“ Mars nije bilo lako. Pošto volim sport, bilske su mi sve analogije koje imaju veze s njim, pa zato pogledajmo paralelu sa streličarstvom.
Pretpostavimo da želimo da odapnemo strelu u metu. Za razliku od običnog strelca, mi smo toliko daleko od mete da je jedva vidimo. U tom slučaju, nišanjenje u centar mete je ono glavno. Dodatni problem bi mogao da pravi promenljivi vetrić koji teži da skrene strelicu sa putanje. Ispaljivanje strelice dovoljno precizno da odleti čak i u blizinu mete izazov je sam za sebe; pogađanje određene tačke na meti je posebno teško.
Hajde sad da razmotrimo kako da promenimo situaciju da bi bila što sličnija jednoj međuplanetnoj misiji. Ako bi strelica imala na sebi sićušni radio-lokator, mogli bi da pratimo njeno putovanje ka meti. To bi bilo poput gledanja na radarski monitor. Mogli bi da posmatramo kako naša strela potpuno promašuje cilj ili, ako smo izveli dobar hitac, pogađa negde u njega. Sada, ako bi povremeno mogli da pošaljemo signal ka streli, recimo da menjamo ugao pera, možda ne bi bili u stanju da drastično promenimo njen let, ali bi svakako mogli malo. Dakle, ako je početno gađanje bilo dovoljno precizno, mi bi uspeli da navedemo strelu do željenog odredišta.
Ispaljivanje strelice je slično lansiranju kosmičke letilice, a njen let do mete predstavlja međuplanetno putovanje, mada upravljanje letilicom podrazumeva mnogo veću preciznost (i zabavu!). Naše znanje o tome gde se nalazi letilica i u kom pravcu se kreće je neverovatno, fantastično, zapanjujuće precizno, ali nije savršeno. Ovo je ključno. Održavanje letilice na kursu je stvar čestog preračunavanja položaja, brzine i pravca putovanja a onda povremenog brižljivog podešavanja trajektorije putem kratkih impulsa pogonskih motora.
„Dawnovo“ skoro konstantno korišćenje jonskog pogona u 2008. godini menjalo je priču, ali samo neznatno. Plan potiskivanja koji stvaraju ksenonski motori brižljivo su napravili moćni računari u JPL-u pre lansiranja, a onda ga po potrebi podešavali čim je strela napustila luk. Tokom faze međuplanetnog krstarenja, novi plan potiska je slat brodskom računaru otprilike svakih 5 nedelja, svaki put sa malom korekcijom na osnovu „taze“ kalkulacija „Dawnove“ orbite oko Sunca.
Kontrolnom timu misije je svaki put trebalo oko 5 nedelja da bi dizajnirao, razvio, proverio, još jednom proverio („double-check“), preneo, i aktivirao 5-nedeljni set komandi. U trenutku kada je brod izvršavao finalni deo tih instrukcija, to je značilo da je izvršavao plan leta koji se bazirao na informacijama starim 10 nedelja. Tokom najvećeg dela misije, kada su pred njima bili meseci pa čak i godine rada motora, bilo je puno mogućnosti za podešavanje trajektorije. Nasuprot tome, poslednji period potiskivanja pred dolazak na Mars zahtevao je od kontrolora da modifikuju svoje metode rada, što je uključivalo da brže apdejtuju podatke.
U vreme kada je „Dawn“ ispaljen u kosmos, ciljani prozor u blizini Marsa je bio jednak gađanju strelom metu udaljenu 47 kilometara! U centru mete se nalazi crveni krug prečnika 30 cm, koji predstavlja Mars. Naravno, Nasi nije bio cilj da pogodi centar! Više su voleli da pogode tačku na nekih 2,2 cm od kruga, u blizini pozicije 11:00 h.
U vreme TCM1, „Dawn“ je već prevalio 880 miliona km, što je odgovaralo letu naše strele od 39 km od luka. Preletevši tako fantastičnu distancu, utvrđeno je da sonda leti tačno u centar mete, tako da je bila potrebna mala korekcija da bi se kurs usmerio ka pravoj tački.
- januara, dok je operativni tim misije planirao da izvede TCM2, „Dawn“ je na prethodnu kilometražu dodao još 110 miliona km, čime je našu strelu dovelo još 5 km bliže cilju. Ispostavilo se da je prethodni manevar tako bio precizno izračunat da nikakva korekcija putanje nije bila potrebna.
Kontrolori su nastavili da prate „Dawnovu“ trajektoriju sve vreme prilaska Marsu. I pored jako preciznog leta, u poslednjem trenutku je utvrđeno da će, umesto matematički optimalne tačke, sonda pogoditi manje od 2 milimetra van centra mete. To se nije dogodilo u položaju 11:00 časova već na manje od trećine debljine crte koja označava 11:00, tamo gde bi kazaljka koja pokazuje sate bila u 11:04. To se smatralo dovoljno dobrim za „Dawnovo“ shvatanje preciznosti.
To je značilo da je letilica proletela na oko 543 km iznad crvene površine planete umesto originalnog plana od 500 km. Iako to možda izgleda kao velika razlika, treba znati da efekat gravitacione asistencije zavisi od udaljenosti od centra planete a ne od površine. U tom kontekstu, umesto da proleti na oko 3896 km od centra, sonda je proletela na 3939 km. (Strela bi pogodila 17,4 cm od centra centra mete, umesto 17,2 cm.) Misija bi uspešno bila nastavljena čak i da je devijacija od originalnog plana bila mnogo veća.
Kako se ta razlika odrazila na ukupan put ka asteroidnom pojasu? „Dawnov“ četvoromesečni period između Marsa i nastavka jonskog pogona bio je skraćen za 4 dana. Obzirom da su proračuni govorili da će sonda koristiti motore praktično sve vreme 2,5-godišnjeg putovanja od Marsa do Veste, uključivanje jonskog pogona nekoliko dana ranije bilo je gotovo je zanemarljivo.
Nedeljama pre opisanog fly-bya navigatori su prikupljali podatke o sondinom putovanju kroz kosmos i rafinirali svoje proračune. Većina smatra da ako se veoma precizno zna pozicija letilice i njena brzina onda je moguće predvideti susret sa planetom takođe jako precizno. Konačno, gravitacione sile Sunca i Marsa, pa čak i ostalih planeta i asteroida, iako daleko od „Dawna“, bile su precizno i dobro poznate. Međutim, ispostavilo se da postoje i druge sile koje utiču na letilicu. One su poput nežnog ali neujednačenog povetarca koji utiče na let strelice koju smo ispalili ka dalekoj meti, čineći ionako izazovni problem gađanja još težim.
Svetlost, nama toliko draga, stvara određeni pritisak, tako da dokle god Sunce obasjava „Dawn“, ono konstantno modifikuje trajektoriju. (Snaga svetlosti je mnogo veća od solarnog vetra, struje naelektrisanih čestica koje naša zvezda izbacuje u kosmos. Efekti solarnog vetra su premali da bi bili uzimani u obzir.) Neprestani pritisak Sunčeve svetlosti je mali, ali ga je trebalo uzimati u obrir[2], što je bilo veoma teško budući da je veličina efekta zavisila od reflektivnih svojstava letilice. Svetlost koja se odbija od poliranih komada metala je stvarala različitu silu od svetlosti koju apsorbuje crna termo-izolacija. Kako je letilica menjala orijentaciju, različite komponente su izlagane Sunčevoj svetlosti a menjaju se i uglovi pod kojima su osvetljeni. Navigatori su uzimali u obzir određeni solarni pritisak, ali su uvek postojale male nepravilnosti koje su dovodile do određene nesigurnosti u proračunima.
I sam „Dawn“ je bio odgovoran za neke, čak i veće, nepravilnosti svoje trajektorije. Kao što sam pisao prošli put, letilica je opremljena reakcionim točkovima,koji su samo deo podsistema za kontrolu položaja i orijentacije letilice u vakuumu. Bržim ili sporijim električnim spinovanjem točkova (bilo ih je četiri, a danas radi samo jedan, te je i on, kao beskoristan, isključen) letilica je mogla da kontroliše svoj položaj. Točkovi su korišćeni za počinjanje i zaustavljanje okretanja kao i potpunog zaustavljanja da bi, naprimer, održavali glavnu antenu upravljenu ka Zemlji. Solarni pritisak nije samo skretao letilicu već je neprestano pokušavao da je i okrene, baš kao što to radi i vetar na Zemlji. Da bi kontrirala tom efektu, kontrola položaja je automatski menjala brzinu točkova. Kao posledicu, imali smo da su točkovi postepeno ubrzavali pokušavajući da se izbore protiv neprestanog solarnog pritiska.
Pošto točkovi nisu bili u stanju da povećavaju brzinu beskonačno, ubrzo su gubili efikasnost dostigavši svoje limite. Da bi ih odmorio, sistem za kontrolu položaja je morao da pozove u pomoć reakcioni kontrolni sistem (RCS) da bi uključio male trastere[3], koji su kao gorivo koristili hidrazin. Nastala sila se suprotstavila uticaju solarnog pritiska koji je doveo do ubrzavanja točkova, čime im je omogućavala da uspore bez potrebe za menjanjem položaja letilice. Taj proces inženjeri nazivaju „desaturizacijom reakcionih točkova“.
Osim što je usporavao točkove, potisak hidrazina je gurao letilicu, menjajući joj trajektoriju. U fazi leta pred dolazak na Mars, trasteri su morali da se uključuju dvaput nedeljno radi desaturizacije reakcionih točkova. Dakle, iako su svi fenomeni poznati, ipak ostao je izvestan stepen neodređenosti u predviđanju, najviše usled nesavršenog poznavanja stvarnih efekata solarnog pritiska i detalja na koji način su 6 trastera redukovali brzinu 3 operativna točka[4].
Neodređenost u promenama brzine letilice usled desaturizacije reakcionih točkova iznosila je oko 1 milimetar u sekundi. Možda ta brzina izgleda ništavna, ali pogledajmo pojednostavljeni primer kako je čak i tako mala neodređenost uticala na proračun gde će se „Dawn“ nalaziti posle fly-bya. Pretpostavimo da se susret s planetom očekuje za 5 nedelja, a da su svi trenutni i budući parametri trajektorije savršeno poznati sem rezultati desaturizacije zakazane 4 nedelje pre susreta s planetom. Ta brzina, koja bi se nakupila za 2,4 miliona sekundi koliko ih ima u 4 nedelje, izazvala bi pomeranje pozicije sonde u odnosu na Mars za više od 2,4 kilometara. Naravno, ni svi ostali parametri nisu bili 100% u potpunosti precizni, tako da je bilo više desaturizacija pre Marsa, te bi i pomeranje bilo mnogo veće. Zato je bilo jako teško uzeti u obzir sve faktore i proračunati trajektoriju koja će prolaziti kroz prozor neophodan za gravitacionu asistenciju.
Snažna sila planete savila je „Dawnovu“ putanju za oko 78 stepeni. Da bi to zamislili, pretpostavmo da je Mars tačka u sredini sata, a da „Dawn“ leti ka njoj (ili preciznije, ka prozoru vrlo blizu tački) iz pravca 12 sati. Da je planeta bez gravitacije, sonda bi proletela u pravoj liniji, ka 6 sati. Umesto toga, sonda je oštro skrenula oko centra i odletela o pravcu između 3 i 4 sata.
Skretanje oko Marsa promenilo je i „Dawnovu“ orbitu oko Sunca. Da bi ušla u orbitu oko Veste, sonda je morala da promeni ravan u kojoj je do tada letela oko Sunca u ravan u kojoj se nalazi Vesta, u čemu joj je pomogao Mars. Njegova gravitacija je promenila ravan leta za naizgled skromnih 5,2°. Ipak, da je to sonda morala da izvede sama, bilo bi joj potrebno da doda gas za još 2,3 km/s (~8.300 km/h).
Konačno, 17. februara 2009. „Dawn“ je proleteo na samo 549 km od Marsove površine. Pošto je Mars ubrzao sondu, onda je ona, prema zakonima fizike, usporila Mars. na godišnjem nivou, Mas je usporio po svojoj orbiti za širinu atoma“ To je za 180 miliona godina za 2,5 cm! „Dawn“ je i ubrzao – za dodatnih 9.400 km/h. To je na kraju dovelo do toga da je 879 dana kasnije (125 nedelja) sonda srećno i uspešno ušla u orbitu oko Veste.
Snimci Marsa frejming kamerom tokom preletanja Marsa
Grafički prikaz misije sonde „Dawn“. Prikazan je i gravitacioni prelet pored Marsa.
[1] Time je promenio brzinu za malo više od 60 cm/s (2,16 km/h), što je ništa ako se zna da je tada „Dawn“ leteo oko Sunca brzinom većom od 22,5 km/s (81.000 km/h). Plan je bio da se prilikom susreta sonde i Marsa oni kreću relativnom brzinom od 3,17 km/s (11.400 km/h).
[2] Našao sam podatak gde kažu da je pritisak Sunčevog zračenja ignorisan, sonde Nasinog programa „Viking“ bi promašile Mars za oko 15.000 km.
[3] Podsistem ima 6+6 trastera i 45 kg hidrazinskog goriva. To je tada izgledalo ništa naspram 425 kg ksenona za jonske motore, ali sada, kada su nakon 10 godina rada jedan po jedan točak ispadali iz opticaja i konačno svi izbačeni iz stroja, trasteri su ostali jedini koji mogu da obezbede da sonda radi kako valja. Dokad - videćemo.
[4] Prvi točak se pokvario godinu dana ranije i nikad se nije oporavio.
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
