Astronautika: misije

16. oktobar. 2009.

Među našim ljubitelja svemirskih misija, fanovi sonde „Dawn" su u septembru ove godine skromno proslavili drugu godišnjica napuštanja rodne planete[1]. Dok smo mi jeli ćevape i pili pivo, letilica je radila isto ono što je radila sve vreme od kako je u kosmosu: strpljivo, uz pomoć jonskog pogonskog sistema, postepeno je menjala svoju orbitu oko Sunca.

Tokom dosadašnjeg međuplanetnog krstarenja, jonski motori letilice[2] su stvarali potisak ukupno 389 dana, ili 53% vremena trajanja misije. Dok je za druge svemirske letilice paljenje motora za promenu kursa izuzetan manevar, za „Dawn" je to rutinska svakodnevica. Sve to do sada košta sondu samo 103 kg goriva, od ukupno 425 kg koliko je ponela u septembru 2007. godine[3].

Jonski pogon

Gorivo o kome se ovde priča je inertni gas sličan neonu ili helijumu, ksenon. Njegova građa je prosta: svaki atom sadrži sićušno i nabijeno jezgro okruženo oblakom elektrona. Svako jezgro ima 54 pozitivno naelektrisana protona i oko 76 neutrona. (Ksenon je smeša 9 izotopa, što znači da ima 9 različitih brojeva neutrona. Od najmanje 70 do najviše 82, ali broj neutrona ima vrlo skroman uticaj na ponašanje atoma.) Ta 54 pozitivna naboja u jezgru precizno su izbalansirana sa 54 negativno naelektrisana elektrona, čineći čitav atom električki neutralnim - sve dok jonski mlazni sistem ne stupi u dejstvo.

Unutar jonskih potisnika (trastera), snop elektrona, sličan onom snopu koji osvetljava TV ekran, bombarduje atome ksenona. Kada zrak izbaci jedan elektron iz atoma, dobijamo električki neizbalansiran atom: 54 pozitivne čestice i 53 negativne čestice, a takav atom zovemo „jon". Zbog toga što je sada naelektrisan, ksenonov jon oseća uticaj električnog polja, koji se jednostavno nazivamo napon. Pošto potisnici za ubrzavanje ksenonovih jona koriste više od 1.000 volti, izbacuju ih brzinom od čak 40 km u sekundi. Svaki jon, iako sićušan, potiskuje trastere unazad, a ova reakcija stvara snagu koja pokreće svemirsku letilicu. Joni se ispaljuju iz motora 10 puta brže nego što gasovi hemijskog goriva izleće iz klasičnog motora, i to predstavlja izvor izuzetne efikasnosti jonskog pogona.

Ako bi sve ostalo bilo jednako, sa istim iznosom goriva, letilica opremljena jonskim motorima mogla bi da postigne 10 puta veću brzinu od letilice s klasičnim pogonom; ili letilica sa jonskim motorima može da nosi daleko manje goriva da bi obavila isti posao kao letilica koja ima standardni pogon. To je bio glavni razlog zbog koga je NASA preduzela tako ambicioznu misiju kao što je „Dawn".

Količina ksenona koja izlazi iz trastera vrlo je mala. Pri najvećem potisku, sistem koristi svega 3,25 miligrama u sekundi, tako da za 24 sata neprestanog rada „pod punim gasom" treba samo 280 grama ksenona. Međutim, pošto ksenon mora da se štedi, potisak koji sonda koristi vrlo je nežan. Na nekim drugim svemirskim letilicama glavni motori mogu da stvore i 10.000 puta veći potisak, ali takvi sistemi su tolike trošadžije goriva, da se njihova krajnja brzina po pravilu ograničava.

Sila koju stvara svaki pojedinačni „Downov" jonski motor (ima ih 3) može da se uporedi sa težinom lista papira. Stavi list hartije na dlan, i ostićeš silu koju stvara jonski motor. Zbog velike efikasnosti goriva, trasteri mogu da stvaraju potisak ne nekoliko minuta, kao što je to slušaj kod većine motora, već mesecima ili čak i dodinama. U bestežinskim uslovima, bez trenja, efekti čak i tolikog potiska mogu postepeno da ubrzaju letilicu do vrlo ,vrlo velikih brzina.

Tokom svoje ekspedicije, „Dawn" će dospeti na mnogo veću udaljenost od Sunca nego Zemlja, ali sve dok je ta udaljenost manja od dvostruke udaljenosti Zemlja-Sunce, ogromni solarni paneli[4] će moći da generišu dovoljno električne energije za rad jonskih motora pod maksimalnim opterećenjem[5]. Na taj način, postićiće se ubrzanje od oko 7 metara u sekundi dnevno, ili malo više od 24 km na sat dnevno: jednodnevni rad motora će moći da promeni brzinu letilica za 24 km/h. To znači da bi za 4 dana letilica letela brzinom od 100 km/h. Možda ovo ne podseća na „Formulu 1", ali škrta potročnja ksenona omogućava potisak mnogo duže od ta 4 dana.

Da bi ovo potvrdili, razmotrimo Nasine sonde koje se trenutno nalaze u orbiti oko Marsa. Kada su dospele do planete, te letilice su morale da upale motore da bi ukočile i ušle u orbitu. Mada je svaka misija drugačija, takav manevar podrazumeva brzinu od nekih 1.000 m/s i potrošnju od oko 300 kilograma goriva. Sa jonskim sistemom, „Dawn" može da ostvari istu promenu brzine sa manje od 30 kg ksenona. Ipak, jedna tipična misija na Mars može da obavi ovakav manevar za manje od 25 minuta, dok „Dawnu" za to treba više od 3 meseca. Za one koji imaju strpljenja, jonska propulzija može da bude vrlo efikasna. Za mnoge današnje misije, veća složenost i troškovi jonskog mlaznog pogona su nepotrebni, i sasvim je jasno da u orbitu oko Marsa možemo da uđemo i bez njega. Ali kako se čovečanstvo sve više zanima za ambiciozne misije u dubokom svemiru, otvarajući nam nedostupne vidike i tražeći odgovore na nova i uzbudljiva pitanja o kosmosu, ogromne mogućnosti jonskog pogona će postati glavni činilac.

Do kraja misije, imajući u vidu da će motori raditi od maksimalnog potiska do niskog, kada se „Dawn" bude nalazio mnogo dalje od Sunca, sonda će nakupiti ukupno više od 5 godina potisnog vremena, što će joj davati efektivnu promenu brzine od 11 kilometara u sekundi, ili 39.500 km na sat. To je skoro isto kao i čitava „Delta" raketa sa svojih 9 dodatnih bustera na čvrsto gorivo, prvim stepenom, drugim stepenom, i trećim stepenom, a daleko više od bilo čega što može da postigne neka jednostepena svemirska letilica.

dawn1

NASA je misiju dvaput zvanično otkazivala: 2003. i 2006. Na kraju je ipak lansirana i to vrlo uspešno. Ovo je prva Nasina potpuno „jonska" misija u istoriji. Na brodu se (ispod glavne HGA antene) nalazi i mikročip sa više od 360.000 imena entuzijasta iz čitavog sveta.

 

Nastavak misije

Do sada, „Dawnovi" jonski motori su obezbedili brzinu od 2,62 kilometara u sekundi (9.400 km/h). Zbog principa orbitnog kretanja, bilo oko Sunca bilo oko nekog drugog gravitacionog tela, „Dawn" ne leti brže nego kada je lansiran. Ali stvarna promena brzine i dalje ostaje prava mera efikasnosti rada bilo kojeg pogonskog sistema. Pošto je do sada ostvario samo petinu vremena planiranog za potisak tokom čitave misije, „Dawn" je već sada premašio promenu brzine koje postiže većina letilica.

Od lansiranja, svi mi na Zemlji (i oni u njenoj blizini) napravili smo 2 revolucije oko Sunca, prevalivši oko 1,88 milijardi kilometara. Leteći dalje od Sunca, i krećući se sporije, „Dawn" je za isto to vreme prevalio 1,57 milijardi kilometara[6]. Udaljujući se od Sunca i približavajući se Vestinoj orbiti, nastaviće da usprava sve dok ne uskladi svoju brzinu sa Vestom. Od lansiranja „Dawna", Vesta je prevalila samo 1,18 milijardi kilometara.

Trenutno, „Dawn" leti po eliptičnoj orbiti oko Sunca i ta orbita se menja.

dawn2

Dawn" je bio spreman za utovar u raketu „Delta II" još 1. jula 2007. godine.

 

Orbita

Orbite su putanje po kojima se svi članovi porodice solarnog sistema kreću oko Sunca, nekada bliži a nekada dalji od njega. Pored toga što se sve te putanje karakterišu svojim oblikom, odn. ekscentricitetom (odstupanjem od savršene kružnice), i veličinom, mogu da se razlikuju i prema položaju u prostoru. Uz pomoć pristrasnosti zemaljskih astronoma, Zemljina orbita je uzeta kao svemirska referenca[7]. Sve druge planete i prateća tela, kao i svemirske letilice, putuju po orbitama koje se nalaze pod izvesnim uglom u odnosu na nju. Ni Ceres a ni Vesta ne okreću se oko Sunca u istoj ravni kao Zemlja, tako da „Dawn" mora da podešava svoju orbitu prema svojim cilevima. (Nagibi orbita velikih planeta su bliži ravni Zemlje orbite, tako da do sada nijedna svemirska letilica nije otišla tako daleko van te ravni da bi ušla u orbitu oko nekog drugog nebeskog tela.)

Pogledajmo sada kako se menjale u protekle dve godišnjice misije veličina i oblik (prikazani zajedno sa najvećom i najmanjom udaljenošću od Sunca) i ugao orbite „Dawna". Donja tabela pokazuje šta bi se dogodilo da su za svaku godišnjicu prestali da rade motori letilice; orbite njegovih destinacija, Veste i Ceresa, prikazane su za upoređivanje. Naravno, kada se „Dawn" nalazio na lansirnoj rampi 27. septembra 2007, njegova orbita oko Sunca se poklapala sa Zemljinom orbitom. Nakon lansiranja, dobio je svoju orbitu.


Min. udaljenost od Sunca (AJ)
Max. udaljenost od Sunca (AJ)
Ugao u odn. na ekliptiku
Dawn orbita 27. sept. 2007.
(pre lansiranja)
0,98
1,02
0,0°
Dawn orbita 27. sept. 2007.   (nakon lansiranja)
1,00
1,62
0,6°
Dawn orbita 27. sept. 2008.
1,21
1,68
1,4°
Dawn orbita 27. sept. 2009.
1,42
1,87
6,2°
Vestina  orbita
2,15
2,57
7,134°
Ceresova orbita
2,54
2,99
10,586

Čitalac može da zanemari ovu tabelu ili da je radi sticanja uvida ili inspiracije gleda koliko želi. Ipak, njena namena je da ilustruje koliki put je do sada prešao „Dawn" od lansiranja, ali i koliko mu još preostaje pre nego što počne da istražuje Vestu.

dawn3

Dalje putovanje

Ali, putovanje će da bude za nijansu kraće nego što su do pre samo koji mesec predviđali planeri misije. Plan proizvodnje potiska isključivo zavisi od količine električne energije koja se nalazi na raspolaganju jonskom mlaznom pogonu, koji struju konvertuje u potisak. Veća električna snaga znači i veći (ali još uvek blag) potisak.

Prošle godine, tim inženjera, koji na udaljenoj Zemlji brine o zdravlju „Dawna", razradio je softverski metod kalibracije solarnih panela, i sonda ga od tada uveliko sprovodi. Prispeli podaci, u kombinaciji sa preciznim matematičkim modelom proizvodnje snage solarnih panela, omogućio je timu da sa sigurnošću zaključi da ća u budućnosti raspolagati sa 10% više energije. Naoružani ovakvom informacijom, mogli su da ažuriraju plan budućeg rada potisnika.

No na pravljenje profila za rad potisnog motora utiču i mnogi drugi faktori. Jedan od njih je masa same svemirske letilice. Iako se nalazi u bestežinskom stanju, „Dawn" ipak poseduje određenu masu (otpor na promene brzine), te što je veća masa, to je manje ubrzanje koje stvaraju jonski motori. Taj fenomen nije mnogo različit od iskustva svakog čitaoca ovde na matičnoj planeti. Što je teži teret koji nosimo, sve sporije ubrzavamo naše kretanje, bez obzirada li za to koristimo mišiće nogu (ili krila ili pipaka, u zavisnosti kojoj vrsti pripadamo) ili motor naših kola (ili svemirskog broda). Kako misija napreduje, tako „Dawnova" masa postepeno opada, jer jonski motori troše ksenon a reaktivni kontrolni sistem[8] hidrazin. Predviđajući koliko će u svakom trenutku do kraja misije biti goriva u rezervoarima letilice, inženjeri mogu da izračunaju koliko vremena će biti potrebno „Dawnu" da stigne do iste orbite oko Sunca kao i Vesta, a kasnije i iste orbite kao i Ceres.

Nakon opsežnih analiza započetih krajem 2008. i nastavljenih do polovine ove godine, svi elementi potrebni za pravljenje plana potiska bili su poznati. Naizgled skroman dodatak snage solarnih panela bio je daleko najznačajniji. Kada je sve sabrano, pokazalo se da će „Dawnove" izuzetne sposobnosti manevrisanja tokom misije biti bolje čak i od onog što su inženjeri u potaji priželjkivali. Letilica će dospeti do Veste oko 6 nedelja pre nego što je bilo planirano. Pored toga, novootkrivene sposobnosti će omogućiti letilici da stigne brže i od Veste do Ceresa, tako da će rok za napuštanje prvog sveta da bi se stiglo do drugog, što se nalazi u rasporedu za 2015. godinu, biti pomeren za 6 nedelja.

Gledano ukupno, ove promene će omogućiti sondi da planirani 9-mesečni ostanak u orbiti oko Veste produži na 12 meseci, što je izuzetno korisno za ovu ekspediciju. Vesta obećava da će biti fascinantno mesto za posetu, a naučnici dobro naučeni iskustvima iz drugih svemirskih misija znaju da bez obzira koliko novih podataka prikupili, uvek ostaje još mnogo toga da se nauči. Planeri misije su se trudili da maksimalno kondenzuju prethodno raspoloživo vreme kojim su oni i „Dawn" raspolagali na Vesti, tako da im se ovo produžavanje vremena za trećinu čini kao dar sa neba. Kako se neophodne aktivnosti za rad i proučavanje ovog stranog sveta budu detaljnije formulisale, tako će se ovo dodatno vreme pokazati izuzetno vrednim, jer će timu omogućiti da se prilagode problemima koji su neizbežni u ovako loženoj misiji, i pokazati nam Vestu u što zanimljivijem svetlu.

Trenutno, „Dawn" već leti prema novom rasporedu, hitajući prema mestu gde će Vesta biti u julu 2011. Međutim, to nije dovoljno, jer bi u tom slučaju sonda samo proletela kraj svoje mete: potrebno je i da uđe u orbitu oko ove protoplanete, i zajedno nastave put oko Sunca, kao što Zemljini sateliti prate Zemlju po njenoj putanji. Sonda će ostati sa Vestom sve do jula 2012, kada će ponovo upaliti motore i otpočeti putovanje ka Ceresu. Već je objašnjavano zašto je proletanje (omogućava samo brz pogled na telo) neuporedivo manje izazovno od ulaženja u orbitu (omogućava daleko opsežnije proučavanje), što bi bilo praktično nemoguće bez upotrebe jonskog mlaznog motora.

Sada kada je „Dawn" ušao u treću godinu boravka u kosmosu, ovog puta na novom i boljem kursu, ostaje još mnogo posla da se uradi. Nadam se da ću uspeti uskoro da javim o daljem napredovanju ove izuzetne i na sajtu neopravdano zapostavljene misije.

Samo da kažem da se „Dawn" trenutno nalazi 1,35 AJ (203 miliona kilometara) od Zemlje, ili 508 puta dalje od Meseca. Radiosignalu treba više od 25 minuta da ode do letilice i vrati se.

dawn4

Gde se trenutno nalazi „Dawn". (18.10.2009)

 

dawn5

Ko se bolje zagleda, može da vidi i Srbiju odavde.

 

dawn6

Ispod solarnog panela „Dawna" vidi se njegova prva stanica - asteroid Vesta.

 



[1] Ova 8-godišnja misija, čiji cilj je poseta udaljenom asteroidu Vesti i patuljastoj planeti Ceresu, otpočela je 27. septembra 2007. lansiranjem rakete Delta II 7925-H sa Cape Canaverala.

[2] Motori su unapređeni jonski motori koje je već koristio „Deep Space 1" (DS1). Ima ih ukupno tri, i uvek radi samo jedan. Imaju potisak od 90 mN.

[3] Do Veste će potrošiti 275 kg, a dodatnih 110 kg za let do Ceresa.

[4] Letilica ima 2 panela, svaki dimenzija 2,3 × 8,3 m i težine (na Zemlji) od 63 kg. Sada kada su otvoreni, s kraja na kraj imaju raspon od 19,7 metara, i ukupno 11.840 solarnih ćelija. U blizini Zemlje, paneli su stvarali 10 kilovata energije (toliko troši 10 stanova). To je mnogo više nego što letilici treba (oko 3,2 kW), ali kada bude 3X dalje svaki vat će joj biti od velike važnosti, tako da mnogi ovaj podsistem vide kao najvažniji na čitavoj letilici. Ovo su najmoćniji solarni paneli korišćeni u bilo kojoj svemirskoj misiji do sada.

[5] Pored motora, najveći „rasipnik" električne energije je podsistem termičke kontrole, jer on nadzire rad preko 140 grejača na letilici. Oni obezbeđuju pravilan rad precizne elektronike, mehaničkih uređaja, lubrikanata, goriva, zaptivki, konstruktivnih elemenata, itd. Brinu da sva ta oprema bude dovoljno hladna kada je letilica direktno izložena Suncu, ali i dovoljno topla kada su izložena parališućoj hladnoći mračnog svemira.

[6] Sila gravitacije se smanjuje sa rastojanjem, tako da Sunce jače privlači bliža tela nego ona mnogo dalja. Zato, da bi ostala u orbiti, u ravnoteži sa neumornim privlačenjem gravitacije, bliži objekti moraju da putuju brže da bi se izborili sa jačim privlačenjem. Isto važi i za Zemlju. Sateliti čija orbita je blizu (uključujući npr. ISS, koja je na manje od 400 km od površine), moraju oko planete da lete brzinom od oko 7,7 km/s (27.700 km/h) da se nebi srušili. Mesecu, koji kruži 1.000 puta daljom orbitom, potrebna je brzina od samo 1,0 km/s (3.600 km/h) da bi bio u balansu sa Zemljinim zagrljajem na toj daljini.

[7] Ta ravan se naziva i ekliptika. Dobila je ime zato što se pomračenje Sunca (solarna eklipsa) javlja samo onda kada Mesec preseče tu ravan. Nagib te ravan se zbog brojnih faktora vremenom menja i nije konstantan.

[8] Ovaj sistem ima 12 malih mlaznika, koji troše klasično gorivo, hidrazin. Za orijenraciju je dovoljno i 6 trastera, tako da i ako se neki pokvari, letilica ne može da se izgubi. „Dawn" nosi ukupno oko 45 kg hidrazina.

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


 
 leksikon 190


stranica posmatraci2019

CURRENT MOON


tvastronomija18