Kako će se Curiosity spustiti na Mars?

Postavljeno od  //  10/03/2011  //  Misije  //  Comments Off on Kako će se Curiosity spustiti na Mars?

Istorija američkih istraživačkih rovera na Marsu je duga. I uspešna. Bez obzira što je jadni „Spirit“ definitivno izbačen iz stroja, njegov parnjak „Opportunity“ je još aktivan i zdrav. Ne treba da podsećam da bi u vreme njihovog lansiranja 2003. godine svako iz Nase bio presrećan da mu je neko garantovao da će roveri da funkcionišu makar 90 dana – „Spirit“ je radio 1944 dana, a „Oppotrunity“ radi evo već 2615 dana. Sada NASA planira njihovog naslednika, koji treba da sleti na Crvenu planetu u avgustu 2012. godine. Radi se o roveru „Curiosity“, koji će biti pet puta teži od „Spirita“. Biće veliki kao jedan (recimo) „Golf“.

VAZDUŠNI JASTUCI U SVEMIRU

Već 60 godina Rusi i Amerikanci eksperimentišu sa „vazdušnim jastucima“ u vojnom vazduhoplovstvu i svemirskoj industriji.

Prvi put su vazdušni jastuci upotrebljeni za sletanje na drugo nebesko telo 1966. godine, kada su se sovjetske sonde Луна 9 i Луна 13 meko spustile na Mesec. Nasin Mars Pathfinder (1997) je bio prvi koji je upotrebio poboljšani sistem jastuka, spregnut sa aerokočenjem, padobranima, i motorima za sletanje, te je slična tehnika korišćena i prilikom spuštanja rovera „Spirit“ i „Opportunity“.

Da to ne ide tako glatko pokazalo je i neuspešno spuštanje evropskog Marsovog lendera Beagle 2.

Međutim, uvek postoji problem kako spustiti toliki teret na Mars. Njegova atmosfera je jako „tanka“ i vrlo nepogodna za obične padobrane ili aerokočenje – zato su prve misije osvajanja Marsa pre 50 godina bile tako neuspešne. Ostala je metoda „vazdušnih jastuka“, ali se ispostavilo da je novi rover pretežak za tu tehniku.

Pogledajmo, dakle, kako su Nasini mozgovi planirali da reše ovaj ne samo idejni, već i tehnički problem.

Program ateriranja započeće ulaskom u Marsovu razređenu atmosferu brzinom od preko 20.000 km/h i razvijanjem temperature od 2.000° C, sa usporavanjem od oko 15 g, nakon čega će se otvoriti supersonični kočioni padobran.

Za Nasinu Marsovu svemirsku laboratoriju (MSL, kako se rover zvanično zove) prava zabava će započeti nekih 50 sekundi pre sletanja, kada će jednotonski rover na nuklearni pogon započeti svoje slobodno sletanje padobranom pre nego što super-precizno sleti na površinu Marsa uz pomoć kočionih raketnih motora.

Za razliku od prethodnih misija na Mars, rover „Curiosity“ se neće spustiti na sopstveni stajni trap ili skakutati po površini obložen vazdušnim jastucima koji treba da apsorbuju udarac. Umesto toga, nežno će dotaći tlo sopstvenim točkovima uz pomoć „nebeske dizalice“, specijalno konstruisane za ovu priliku.

Nebeska dizalica će nositi uređaj za merenje inercije i radarski visinomer koji će snabdevati sofistikovani brodski kompjuter podacima o brzini i visini. Zauzvrat, kompjuter će komandovati hidrazinskim raketnim trasterima na svakom uglu nebeske dizalice da podese kontrolisano vertikalno spuštanje na komotnih 2,7 km/h.

Konačno, na visini od oko 20 metara, sistem gravitacionih „tregera“ će osloboditi MSL rover da visi ispod nebeskog krana, koji će nastaviti sletanje sve dok roverovi točkovi ne dotaknu površinu. Registrujući promenu u težini, kompjuter će poslati komandu da se otkače gurtne i kablovi, a nebeski kran, čiji je posao završen, odleteće na bezbednu daljinu i tamo pasti na površinu Marsa.

Rover, sada čvrsto na površini, konačno će biti spreman za dvogodišnje traganje za ugljeničnim jedinjenjima i dokazima o prošlim ili pređašnjim stanovnicima.

Na prvi pogled, nebeska dizalica pre izgleda kao neka video-igrica nego kao Nasin projekat, te kod većine izaziva komentare tipa „mora da se šalite“. Ali sa druge strane, nebeska dizalica daje jasnu prednost kada je u pitanju spuštanje rovera na površinu na bezbednoj udaljenosti od lendera.

Tradicionalni lenderi sa stajnim trapom na raketni pogon, pa čak i sistem vazdušnih jastuka kakav je NASA koristila kod „Mars Pathfindera“ i kasnije kod rovera „Spirit“ i „Opportunity“, zahtrevali su dodatni nivo složenosti da bi rover sa točkovima sišao sa platforme za sletanje i spustio se na površinu.

Grafički prikaz svih faza sletanja Marsove naučne laboratorije „Curiosity“.

Predložena metoda će zahtevati i malo sreće. Ako se lender zadesi iznad neke padine ili velike stene, rover će imati velike probleme da se dočepa površine.

Vazdušni jastuci nikada nisu predstavljali opciju za MSL, jer je njegova veličina automobila i težina od 900 kg skoro pet puta veća od tzv. Marsovih istraživačkih rovera „Spirita“ i „Opportunityja“.

Testiranje vazdušnih jastuka za „Mars Pathfinder” proizvođača ILC Dover of Frederica. „Pathfinder“ je uleteo u Marsovu atmosferu dok je brodski visinomer merio visinu. Kada je bio na oko 100 m iznad površine Marsa kompjuter je naduvao jastuke – 4 velika i 6 manjih. Lender je bio težak 264 kg, a njegov mali rover „Sojourner“ 10,5 kg.

Vazdušni jastuci ne bi mogli da se toliko smanje da zaštitili MSL a da ipak stanu unutar kućišta na vrhu rakete-nosača. Prethodni Marsovi lenderi opremljeni sa jastucima imali su krute, balističke putanje, što je rezultiralo relativno velikim sletnim zonama („landing footprint“), odn. elipsama greške, ograničavajući time broj mesta za sletanje.

Komplikovan odabir mesta za sletanje ograničavao je prethodnim lenderima, opremljenim sa vazdušnim jastucima i pokretanim na solarni pogon, sletne zone na pojas unutar 10 do 15 stepeni oko Marsovog ekvatora.

MSL i nebeska dizalica

Sa mogućnošću upravljanja letilicom tokom njenog nadzvučnog ulaska u atmosferu uz pomoć trastera i odbacujućeg balasta radi kontrole uzgona, MSL lender će moći daleko preciznije da upravlja svojim sletanjem na mnogo manju sletnu zonu, ili elipsu, nego što je to ikad ranije bilo moguće.

Sa nuklearnim reaktorom koji će proizvoditi toplotu i električnu energiju, MSL će moći da sleti čak i na lokacije sa većom nadmorskom visinom, nekih 45 stepeni sa obe strane ekvatora. A sa sistemom nebeskog krana, rover će moći direktno da se spusti na površinu, spreman da krene u akciju, bez dodatnog rizika od opasnog silaženja sa lendera.

Upoređenje „Curiosityja“ i „Spirita“. Prvi je dugačak 2,7 m a drugi 1,57 m.; prvi nosi 80 kg instrumenata a drugi 6,8 kg. Konačno će novi rover ponovo imati radio-izotopski (nuklearni) pogon, i više neće da zavisi od solarne energije. Kažem „ponovo“, jer su i lenderi „Viking“ imali isti pogon pre 30 godina.

Trebljenje „bugova“

Ovo su bile dobre vesti. A loše vesti su da sistem neće moći u potpunosti da se testira na Zemlji. Dizajniran da se izbori sa slabom Marsovom gravitacijom, testiranje od početka do kraja u Zemljinom gravitacionom polju nije moguće. Umesto toga, inženjeri su primorani da se oslone jedino na testiranje pojedinačnih komponenti i bezbrojne kompjuterske simulacije.

Radi se o vrlo komplikovanoj letilici. Ona ima mnogo delova,“ kaže Adam Steltzner, menadžer MSL projekta za ulazak, sletanje i ateriranje (MEDLI). „A to znači da je čin njihovog spajanja u celinu i testiranje radi provere da li će sve raditi baš onako kako se očekuje, veliki napor. I svi se svakako povremeno osećamo zastrašujuće.

Ipak, Steltzner ne gaji nikakvu sumnju da će sletanje proteći uspešno. „Mislim da imamo izuzetno detaljan program za čišćenje ’bagova’,“ smatra on, „i da će naša letilica biti spremna kada dođe vreme.

Doug McCuistion, menadžer za Marsova istraživanja u glavnom štabu Nase, kaže da je ubeđen da je metod sletanja MSL tek malo rizičniji od padobrana i vazdušnih jastuka koje su koristili Marsovi istraživački roveri ili raketnog ateriranja polarnog lendera „Phoenix“, još klasičnijeg lendera sa nogarima, koji je na Mars sleteo u maju 2008. Po njegovom mišljenju, navođeno spuštanje će biti ono što će MSL svrstati u posebnu klasu letilica.

Ovo neće biti sletanje po principu ’pogodi atmosferu i pre ili kasnije ćeš imati balistiku, a onda otvori padobran i na tlu si’,“ priča on. „Mi ćemo voditi tu stvar kroz atmosferu uz pomoć balasta i trastera i upravljati sletanjem da bi redukovali elipsu greške pri ateriranju.“

Rezultat će biti značajan za nauku, za buduće robotizovane sisteme, kao i za buduće sisteme sa ljudskom posadom. Dobrobit će biti ogromna, pa zato vredi malo i rizikovati. Ali ja ne mislim da su rizici dramatično veliki. U stvari, nebeska dizalica nije drastično drugačija od ’Phoenixa’, samo što su sada motori na vrhu.“

Još jedna velika razlika je, naravno, i u sistemu kablova i gurtni pomoću kojih će se KSL spustiti na površinu, obezbeđujući fizičku podršku i protok energije i podataka.

Pa, nije to ni tako loše,“ smeje se McCuistion. „Puno vremena provodim na pecanju, znate, i neprestano koristim mašinicu i najlon!

Sletanje

MSL će doputovati do Marsa unutar oklopljene ljuske koja će biti zakačena za međuplanetnu letilicu na solarni pogon. Deset minuta pre ulaska u atmosferu u avgustu 2012. godine, lender će se odvojiti od svemirskog broda, prekinuti dotadašnju rotaciju od 2 kruga u minuti i orijentisati se u prostoru, tako da toplotni štit bude okrenut napred, pod odgovarajućim napadnim uglom.

Mesto ulaska, donekle proizvoljna tačka koja označava trenutak ulaska letilice u primetnu atmosferu, biće na visini od oko 120 km. Letilica će biti izložena maksimalnom zagrevanju tokom prve 81 sekunde, ubrzano gubeći brzinu zbog trenja atmosfere.

Spuštajući se nadzvučnom brzinom, brodski kompjuter će prema potrebi odbacivati balast i uz podešavanje uzgona tako upravljati letilicom da je dovede do određene lokacije za sletanje.

Usporivši na nešto više od 1.600 km na sat za samo četiri minuta nakon ulaska u atmosferu, glavni kočioni padobran će se otvoriti na visini od oko 10 km. Nekih 28 sekunsi kasnije, na visini od 7 km i pri brzini od 580 km/h, toplotni štit će se odbaciti a otvoriće se roverov trap sa točkovima.

Tokom spuštanja padobranom, MSL-ov radar za sletanje započeće merenja i slaće kompjuteru u roveru precizne podatke o visini i brzini. Osam hidrazinskih raketnih motora na nebeskom kranu biće zagrejani i pokrenuti nekoliko trenutaka kasnije, 5 minuta i 35 sekundi nakon započinjanja faze kontrolisanog sletanja, sa samo 2% potiska.

Sada na visini od ~1.800 m i svega 47 sekundi pre kontakta sa tlom, nebeska dizalica i rover će se otkačiti od padobrana a biće odbačena i leđna obloga radi sletanja na površinu uz pomoć retro-motora.

To će biti trenutak istine za koncept nebeskog krana.

Kupola glavnog padobrana MSL prilikom testiranja u vazdušnom tunelu u Nasinom Ames istraživačkom centru u Moffett Fieldu. Obrati pažnju na ljude u donjem desnom ćošku slike. Ovo će biti najveći padobran ikada napravljen za jednu svemirsku misiju, sa prečnikom od 16 m. Imaće 80 najlonskih konopaca dugačkih 50 metara.

U tom momentu, mi smo na ’malom gasu’ i nakon otprilike jedne sekunde odbacujemo leđni termički štit i nastavljamo pad ka Marsu, i, što je najvažnije, omogućavamo štitu i padobranu da se udalje od nas,“ objašnjava Steltzner.

Oslobođeni opterećenja, padobran i leđni štit će odjednom usporiti za oko 10 g.

Prva stvar koju ćemo tada da uradimo jeste da skrenemo,“ nastavlja Steltzner. „Tokom tog manevra, dovešćemo našu horizontalnu brzinu na nulu a vertikalnu na 32 metra u sekundi [115 km/h]. Za to vreme već ćemo stići na 200 metara iznad tačke spuštanja.“

Lender će početi da se vertikalno spušta, a brodski kompjuter će započeti kočenje nebeske dizalice, smanjujući joj brzinu pada na samo 2,5 km/h.

U tom trenutku, radiće svih osam motora, a onda ćemo smanjiti gas u 4 od njih.“ priča dalje Steltzner. „To će trajati samo oko jedne sekunde, a onda ćemo osloboditi rover.“

Na visini od oko 20 metara –6 minuta i 20 sekundi od početka spuštanja – rover će se zanjihati na tri 7,5 metara dugačke gurtne ispod nebeskog krana.

Sletna jedinica poseduje IMU [uređaj za merenje inercije], sa radarom u sebi, i nastavljaće da prati vertikalni profil sletanja od tri četvrtine metra u sekundi, a nula horizontalno,“ kaže Steltzner. „Nastavljamo dalje.“

Prikaz nebeske dizalice. Rover „Curiosity“ je okačen ispod krana. Precizni Doplerov radarski senzor (TDS) će raditi na frekvenciji 35,75 GHz, i meriće brzinu 6 nezavisnih zrakova. Raketni motori (MLE) su već korišćeni na letilicama „Viking“. Potisak im je 800-3.060 N.

Kada roverovi točkovi budu dotakli Marsovu površinu 6,5 minuta od početka sletanja, nebeska dizalica će još kratko nastaviti spuštanje, a onda će komjuter narediti gas jednak polovini onog koji je bio potreban kada je kran bio opterećen roverom. U tom momentu biće prekinuti tregeri i kablovi, i dizalica će odleteti i pasti na tlo oko 150 metara od rovera.

Nadamo se da će Mars dobro prihvatiti težinu rovera, ali bilo kako bilo, mi smo obavili svoj posao,“ kaže na kraju Steltzner. „Uzgred, sve ove operacije će obavljati sâm rover. Kompjuter se nalazi u njemi, ali svi senzori su na sletnoj jedinici. Kad rover kaže OK, prekinuće se veze sa sletnom jedinicom, prvo gurtne, a potom i napajanje i komunikacija … I to će značiti da smo konačno dole.“

Za sada se još ne zna tačno mesto sletanja, ali je od 2007. proanalizirano najmanje 50 lokacija na Marsu, a u užem izboru se od septembra 2010. nalaze 4 lokacije. Konačan izbor bi trebalo da se napravi ovog meseca.

 

NAZIV
LOKACIJA
VISINA
Eberswalde Crater Delta
23,86° S, 326,73° E
– 1450 m
Holden Crater Fan
26,37° S, 325,10° E
– 1940 m
Gale Crater
4,49° S, 137,42° E
– 4451 m
Mawrth Vallis Site 2
24,01° N, 341,03° E
– 2246 m

 

astronomija.co.rs

 

Komentari su zatvoreni.