NASA i kompanija ULA („United Launch Alliance“[1]) 26. novembra 2011. popodne su po našem vremenu sa rampe SLC-41 vazduhoplovne baze u Kejp Kanaveralu uspešno lansirali raketu „Atlas V 541“ (serijski broj AV-028). U proširenom vrhu rakete nalazila se Marsova sonda već sada bogate istorije, MSL (Mars Science Laboratory) „Curiosity“. Početna orbita sa koje je brod krenuo ka Marsu bila je dimenzija 102 х 201 km sa nagibom 34,8°. Bio je to prvi let „Atlasa V“ u konfiguraciji „541“ (sa četiri bustera). „Curiosity“ treba da sleti 6. avgusta 2012. u krater Gale na Marsu.
Rover MSL „Curiosity“.
Trenutak neposredno pred odvajanje MSL od dodatnog stepena „Centaur“, i polaska na samostalno putovanje a Marsu. Trajaće oko 250 dana.
„Curiosity“ MSL
Sonda „Curiosity“ MSL je pri lansiranju imala težinu od 3.693 kg i podeljena je na četiri osnovna dela: međuplanetni krstareći stepen (539 kg), kapsula za ulazak u atmosferu i sletni modul[2] (2.401 kg) i sâm rover „Curiosity“ (899 kg).
1 – Međuplanetni krstareći stepen; 2 – leđna zaštita; 3 – sletni modul (Descent Stage, DS); 4 – rover „Curiosity“; 5 – termički štit; 6 – padobran.
„Curiosity“, što znači „radoznalost“, zapravo je robotizovani rover (ili kako bi to Rusi slikovito rekli „Marsohod“) težak 899 kg i opremljen sa 10 naučnih instrumenata ukupne težine 75 kg. Njegova dužina je 3,0 a širina 2,8 metara[3]. Maksimalna visina mu je 2,2 m, dok je njegova robotska ruka („manipulator“) dugačka 2,1 m. Ima šest točkova prečnika 50 cm, a svaki je opremljen sopstvenim elektromotorom. Konstruisan je da tokom svoje primarne misije prevali najmanje 20 km. Točkovi su tako dizajnirani da će bez problema savladavati prepreke visoke i do 65 cm. Za razliku od svoja dva prethodnika koji su se poprilično namučili sa električnim napajanjem preko solarnih panela, „Curiosity“ je opremljen „Boeingovim“ radioizotopskim termoelektričnim generatorom tipa MMRTG (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator) kakve su slične imali još 1976. godine i lenderi „Viking 1“ i „Viking 2“. Gorivo za MMRTG čini 4,8 kg plutonijum-dioksida, a renerator će na početku stvarati 2.700 Wh toplote dnevno[4] i električnu snagu od 123 W (sa naponom od 28 volti jednosmerne struje). MMRTG ima dimenzije 64 х 66 cm i težinu od 45 kg, a predviđeno je da bez problema daje struju 14 godina. „Curiosity“ je poneo i 10 uređaja, uključujući i špansko-finsku meteorološku stanicu REMS.
 |
 |
REMS (Rover Enviromental Monitoring Station). Paket i senzori (postavljeni pod uglom od 120°) smešteni su na roverov jarbol za kameru i meriće atmosferski pritisak, vlagu, struje vetrova, temperaturu vazduha i tla i nivo ultraljubičastog zračenja. Uređaj je težak 1,3 kg.
Uređaji na roveru „Curiosity“. Postoje tri glavna sistema kamera: MastCam sadrži dve fokus-kamere u pravoj boji koje slikaju brzinom od 10 frejmova u sekundi. svaka kamera ima 8 GB fleš-memorije; MAHLI je mikroskopska kolor-kamera na robotskoj ruci sa rezolucijom 0,0145 mm/pixelu; MARDI je kamera koja će snimati sve vreme tokom sletanja ekspozicijom od 1,3 ms od visine od 3,7 km do visine 5 m od zemlje.
Postoje i pomoćni sistemi kamera, kao što su HazCams, dva para crno-belih stereoskopskih 3D kamera na svakom ćošku rovera, koje služe za sigurniju vožnju i pozicioniranje ruke. tu je i par NavCams kamera za navigaciju, montiranih na glavnom jarbolu.
|
Glavni posao prilikom ateriranja „Curiosityja“ na Mars obaviće kompjuteri i njihovi programi. Ko je to radio? Indijac dr Gurkirpal Singh, koji se već proslavio pravljenjem složenih algoritama za navođenje i kontrolu „Galilea“, „Cassinija“, „Deep Spacea“, Marsovih rovera, itd. U JPL radi još od 1989. Stručnjak je za razvoj algoritama za kontrolu leta i navođenje, inerciono vektorsko kretanje, real-time dinamičke simulacije, itd Španac mr Miguel San Martin sa MIT-a. Radi na analizama, testiranju, dizajniranju i implementaciji sistema za softversku kontrolu leta prema predviđenim parametrima. Ranije je bio šef tima za kontrolu navođenja Marsovih rovera (on ih je uspešno spustio na Mars), a danas je za to isto zadužen, ali za „Curiosity“. Kinez dr Edward C. Wong sa UCLA, glavni je inženjertehničkog tima za analizu leta. Radio je za JPL na projektima „Voyager“, „Galileo“, „Cassini“, „Shuttle Radar Topography Mission“, „Space Infra-Red Telescope Facility“, i sl. Bio je zadužen za letne i ostale softvere u tim misijama, autonomne randevue, dinamiku i modelovanje, kontrolu letilica, itd. |
Kapsula za ulazak u atmosferu (AeroShell) štitiće „Curiosity“ tokom devetomesečnog kosmičkog putovanja do Marsa. Sastoji se od leđne zaštite (back shell) i samog termičkog štita (PICA heat shield). Ukupna težina kapsule pri lansiranju bila je 2.401 kg. Kapsula nosi i najveći padobran koji će biti upotrebljen van Zemlje, težak (na Zemlji) skoro 1 tonu i prečnika 16 metara[5]. Pored toga, i ablacioni termički štit sa prečnikom od 4,5 metra je najveći koji je ikada poslat sa jednom kosmičkom letilicom na put. Leđna zaštita je opremljena sa nekoliko gasnih trastera (4 puta po dva trastera potiska 500 N po paru) radi manevrisanja tokom ulaska u Marsovu atmosferu. Tom sistemu za manevrisanje dodato je (kao balast) i nekoliko tegova od tungstena, čijim odbacivanjem će se omogućiti upravljivo padanje kroz gornje slojeve Marsove atmosfere (podešavaće se težište) i precizno sletanje u Galeov krater. Toplotni štit će štititi „Curiosity“ od trenja koje će nastati kada usled kočenja brzina međuplanetnog krstarena od 5.3-5,9 km/s spadne na oko 2 Maha – dovoljno za otvaranje padobrana. Tokom kočenja, ugljenični štit impregniran fenolskim smolama trpeće zagrevanje do 2.100° C.
Detalji atmosferske kapsule: 1 – termički štit; 2 – leđna zaštita; 3 – tungstenski tegovi; 4 – RCS sistem kontrole leta (4 trastera); 5 – pristupni poklopac (2x); 6 – otvor; 7 – spojnice sa termičkim štitom (9 kom.); 8 – kontejner padobrana; 9 – spojnica dva štita; 10 – balastni tegovi koji se odbacuju prilikom ulaska u atmosferu (6 kom.); 11 – kućišta radarskih antena.
Termički štit. Isti oblik su koristile sve prethodne Nasine kapsule za Mars. Ali dok su raniji štitovi bili pokriveni „Lockheed Martinovim“ materijalom SLA-561V, ovaj novi je pokriven materijalom pod skraćenicom PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator). Prethodnim materijalom SLA-561 V sada je pokriven samo leđni štit (debljina 1,3 cm), uglavom kao zaštita od malih motora (trastera) za orijentaciju.
Unutar atmosferske kapsule, nalazi se sklopljeni „Curiosity“ zakačen za sletni modul. Na visini od 1,6 km iznad Marsove površine (brzina će i dalje biti preko 100 m/s), „Curiosity“ i sletni modul će se odvojiti od atmosferske kapsule[6]. Modul je opremljen sa osam motora zvanih MLE (Mars Lander Engines) proizvedenih u kompaniji „AeroJet“[7]. Svaki od tih motora ima potisak od 3.300 N, radi na mono-hidrazin i ima posediv „gas“ (prvi put u jednoj misiji na Mars). Kada brzina sletanja padne na oko 27 km/h, sletni modul će pomoću tri kabla dužine 7,5 metara (sistem „Sky Crane“) osloboditi rover, koji će meko aterirati na svojih 6 raširenih točkova. Nakon toga, modul će se osloboditi, odleteti u vis i pasti nekih 150 metara dalje. Ovakav scenario sletanja uz pomoć „nebeske dizalice“ još nikada u istoriji nije izveden (sem u stripovima).
Sletni modul.
„Curiosity“ zapakovan sa sletnim modulom neposredno pre nego što će biti ubačen u atmosfersku kapsulu. Rover je na slici slikan odpozadi: vide se dva zadnja točka obložena srebrnom termozaštitom i sklopljeni hladnjaci nuklearnog pogona (iznad merdevina u sredini).
Detalji sletnog modula sa prikačenim „Curiosityjem“: 1 – Doplerov radar; 2 – glavni motori (MLE); 3 – trasteri za kontrolu položaja i orijentaciju; 4 – UHF antena; 5 – rover; 6 – rezervoar modula.
Manevar „nebeske dizalice“. Vide se glavni motori u fazi retro-kočenja i rover koji visi o sajlama. Jedna od njih će preneti el. impuls prilikom kontakta točkova sa tlom, što će biti znak da se sajle otkače i oslobode rover. Točkovi su već postavljeni u položaj za ateriranje. Visina je oko 1 km.
U ovom trenutku, čitava kapsula za ulazak u atmosferu spojena je sa krsaterećim stepenom teškim 539 kg, koji će sve vreme leta do Marsa biti zadužen za manevrisanje[8]. On je torusnog oblika prečnika oko 4 metra, napravljen je od aluminijumske legure i poseduje poluusmerenu antenu, četiri solarna i jedan stelarni senzor, deset hladnjaka za hlađenje rovera, kao i sopstveni pogonski sistem. On uključuje osam hidrazinskih trastera potiska po 5 N grupisanih u paru, koji će se snabdevati gorivom iz dva titanijumska rezervoara prečnika 48 cm. Neophodnu struju za krstareći stepen obezbeđivaće šest solarnih panela površine 12,8 m2 postavljenih odozgo (oni napajaju akumilator), koji će davati konstantnu struju jačine između 2.500 W i 1.080 W.
Međuplanetni krstareći stepen. Od ključne vežnosti je da termički zaštiti rover tokom duge faze leta do Marsa. Kao deo sistema za termoregulaciju nalazi se tečni rashladni istem sa pumpama i radijatorima koji raznose toplotu koju stvaraju uređaji i motori. Tu je i pasivni termički sistem (folije, tj. „sendviči“) koji greju osetljive instrumente. Za to služi čitava mreža termo-senzora.
Slika krstarećeg stepena (dole) i atmosferske kapsule (gore) tokom testiranja u vakuumskoj termičkoj komori. Tokom čitavog lansiranja, krstareći stepen je komunicirao sa raketom i sa kontrolom leta na Zemlji. Da bi na putu do Marsa održavao stabilnost i momenat kretanja, stepen će se okretati oko ose 2 puta u minuti. Na tom putu, stepen će morati najmanje 6 puta da koriguje trajektoriju, a u tome će učestvovati dve X-Band antene povezane sa Nasinim antenama na Zemlji. Sve vreme leta, rover će modulu slati izveštaje o svom stanju a ovaj će ih prosleđivati dalje na Zemlju.
Faze spuštanja kroz atmosferu Marsa i sletanje u krater Gale. Čitav taj put će trajati svega desetak minuta.
„Curiosity“ će sleteti u krater Gale, za koji se pretpostavlja da je nekada bio jezero, 6. avgusta 2012. godine. Tokom leta do Marsa, letilica MSL će morati da izvede najmanje 6 korektivnih manevara, ili TCM (Trajectory Correction Maneuvers): 3 tokom faze krstarenja a 3 tokom faze prilaska. „Curiosity“ treba da proučava Crvenu planetu najmanje jednu Marsovu godinu, tj. 687 zemaljskih dana ili 669 marsovskih dana (solova).
Krater Gale, star oko 3,8 milijardi godina, nalazi se na severnoj polulopti. Bio je moguće mesto sletanja misija „Spirit“ i „Opportunity“, i jedno od 4 zone sletanja budućeg Esinog rovera „ExoMars“ koji treba da sleti 2018.
Elipsa sletanja „Curiosityja“. dimenzije elipse su 20 х 25 km. Prečnik kratera je 154 km.
Slikovi to i šematski prikazane ključne faze misije.
„Atlas V“
Radi se o dvostepenoj raketi kojoj je moguće dodati „bustere“ na čvrsto gorivo. Ove rakete ranije je proizvodio „Lockheed Martin“, a danas ULA („United Launch Alliance“). Prvi stepen čini središnji buster CCB (Common Core Booster) prečnika 3,81 m i dužine 32,48 m. Napravljen je od aluminijuma i težak je 21.277 kg. Pokreće ga jedan motor РД-180 sa dve komore sagorevanja, proizveden u poznatoj ruskoj kompaniji iz Samare, НПО „Энергомаш“. Motor težak 5,48 tone sagoreva 285 tona mešavine tečnog kiseonika i kerozina, na nivou mora ima specifični impuls 311,3 s a potisak od 390,2 tone.
Raketa „Atlas V“ sa sondom MSL. Ista ovakva (slična) je odnela i „New Horizons“ i „Juno“.
Tri broja posle imena rakete su šifra: prvi broj označava prečnik (u metrima) teretnog kontejnera i uvek je „4“ ili „5“; drugi broj kaže koliko ima bustera; treći broj kaže koliko motora ima dodatni stepen „Centaur“.
Prvi stepen raketnog nosača „Atlas V“ koji je odneo „Curiosity“. Mlaznici koji se vide ne potiču od dva morota, već je u pitanju jedan ali sa dve komore sagorevanja. Bilo je pregovora da i Japanci upotrebe ovaj stepen kao prvi za svoju raketu „GX“.
Prvom stepenu može da bude dodato od nula do pet „AeroJetovih“ raketnih bustera na čvrsto gorivo (SRB) dimenzija 1,55 х 19,5 metara, pojedinačnog potiska 1.361 kN (i spec. impulsa 275 s). Mlaznica svakog SRB-a je okrenuta pod uglom od 3° da bi se prilikom odvajanja udaljila bezbedno od centralnog jezgra. U ovoj misiji je pripojeno četiri bustera (prvi put).
Jedan od četiri SRB rakete „Atlas V“. Pouzdanost im je 99%.
Drugi stepen rakete predstavlja najnovija verzija klasičnog kriogenog stepena „Centaur“ (tečni kiseonik i vodonik). Dimenzija je 3,05 х 12,68 m a pokreće ga jedan (a ponekad i dva) motora tipa RL 10A-4-2 potiska 99,2 kN. Napravljen je od čelika i ima težinu od 2.086 kg. Pored toga, ima u 8 hidrazinskih trastera potiska 40 N i 4 za kontrolu položaja stepena potiska 27 N. To je jako bitno, jer mora precizno da uvede svoj teret u željenu orbitu. Zato „Centaur“ ima sopstveni računar za kontrolu leta.
 |
 |
Drugi stepen „Centaur“. Amerikanci ga proizvode već 50 godina. Bio je to prvi na svetu dodatni stepen koji jesagorevao vodonik i kiseonik. Njegov zadatak je bio da se upali dvaput: jednom da uvede „Curiosity“ u nisku orbitu, a da ga onda 20-ak minuta kasnije ubrza i pošalje ka Marsu.
Na gornjoj slici je data mapa mesta u SAD gde se pojedini delovi rakete „Atlas V“ proizvode, a dole je prikazan proces montaže rakete.
Raspored postrojenja na floridskoj lansirnoj rampi SLC-41. Odatle su lansirane sonde „Helios“, „Viking“, „Voyager“, „Mars Reconnaissance Orbiter“, „New Horizons“ i pre par meseci „Juno“ na Jupiter.
Pripremne faze za lansiranje „Curiosityja“.
Faze odbacivanja stepena rakete „Atlas V“.
Inicijalna orbita. To smo mogli da gledamo sve vreme na Nasinoj TV tokom lansiranja. Plavi kružići su zemaljske telemetrijske stanice.
Moćni motor prvog stepena RD-180 uključen je 2,7 sekundi pre poletanja, nakon čega je usledilo paljenje raketnih motora na čvrsto gorivo (SRB) 1,1 sekundu nakon što je raketa napustila rampu, da bi posle svega 2,1 sekundi raketa postigla puni potisak. Već nakon 5,1 s od uzletanja započeo je manevar rotacije i zauzimanje planirane putanje, da bi u 46,3 s bio probijen zvučni zid. SRB su odbačeni u 112,5 s a kriške obloge vrha rakete odbačeni su u 204,9 s. U 227-oj sekundi leta, motor RD-180 je počeo da smanjuje potisak i da ubrzanje drži ispod 4,6 g. RD-180 je prestao da radi u 261,5 s, dok je prvi stepen odbačen 6 sekundi kasnije. Stepen „Centaur“ je prvi put uključen u 277,4 s. 689,8 sekundi nakon lansiranja isključen je njegov motor RL-10A, što je značilo da je „Curiosity“ u orbiti oko Zemlje. Drugo paljenje „Centaura“ usledilo je u 31. minutu i 4. sekundi leta, i trajalo je 8 minuta – „Curiosity“ je na putu za Mars! Brod je odvojen od „Centaura“ nepuna 4 minuta nakon prestanka rada motora dodatnog stepena „Centaur“.
Postavljanje „Curiosityja“ u zaštitni kontejner („Payload Fairing“) na vrhu rakete.
„Curiosity“ se nalazi na rampi i diže se dizalicom na vrh rakete.
Linkovi
[1] Zajednička privatna kompanija „Lockheed Martina“ i „Boeinga“ iz Kolorada, osnovna 2006, koja vladi SAD (Nasi i Ministarstvu odbrane) pruža usluge lansiranja. Za to imaju na raspolaganju 3 tipa raketa: Delta II, Delta IV i Atlas V.
[2] U poslednjoj fazi sletanja nazvan je „Sky Crane“, „nebeska dizalica“.
[3] „Spirit“ i „Opportunity“ su bili dugački 1,5 m i teški 174 kg, uključujući i 6,8 kg naučne opreme.
[4] Naši bojleri, recimo, stvaraju toliko toplote na sat. Prethodna dva rovera su stvarala samo 600 W dnevno.
[5] Koliko ja znam, najveći padobran upotrebljen na Zemlji je onaj kineski koji je korišćen za sigurno ateriranje kapsule sa dvočlanom posadom, „Shenzhou-VI“. Glavni padobran je imao površinu 1.200 m2, tj. prečnik preko 19,5 m.
[6] Tokom leta kroz atmosferu kapsula će biti uglavnom stabilizovana žiroskopima, koji će konstantno održavati osu u pravcu sletanja, i tako da izbeći tumbanje modula. Za korigovanje manjih perturbacija koristiće se trasteri.
[7] Njihove motore „Curiosity“ će koristiti u svim fazama leta. Pri lansiranju, raketa „Atlas V“ je koristila 4 bustera (ukupno 500 t potiska) na čvrsto goriva sa motorima „AeroJeta“; dodatni stepen „Centaur“ koristi 12 njihovih hidrazinskih motora (trastera) za manevrisanje (potiska 3-4,5 kg) i još 8 retro-raketa prilikom odvajanja „Centaura“. Na putu do Marsa, 8 trastera (0,5 kg) će se 9 meseci brinuti o pravcu, a drugih 8 (31 kg) brinuće o stabilizaciji tokom ulaska u atmosferu. Na samom kraju, proradiće i MLE ...
[8] Sličan stepen je postojao i u ranijim Nasinim misijama na Mars: „Mars Pathfinder“ i „Spirit“ i „Opportunity“.
