Astronautika: istorija

Navršilo se 11 godina i jedan dan od kako je Svemirska stanica Mir na kraju svoje duge i uspešne misije oborena u pacifik. Objavljujemo tim povodom seminarski rad Danice Lukač (sada Drašković) koji je ona pisala kao student Departmana za fiziku PMF u Novom Sadu.

Zemlja-MirMir_Space_Station


Prirodno-matematički fakultet u Novom Sadu, Departman za fiziku

Studijska grupa: astronomija (sa astrofizikom)

Seminarski rad iz predmeta: Prirodni i veštački sateliti

Tema:
SVEMIRSKA STANICA MIR: KRAJ JEDNE ERE

Student: Danica Lukač 
Mentor: dr Igor Savić

Novi Sad, maj 2006


Uvod

Iako je čovečanstvo od njih imalo nebrojene koristi, svemirski objekti koji rade i obitavaju u nižim slojevima atmosfere imaju određen životni vek i moraju biti uklonjeni iz orbite nakon što obave svoju misiju. Da bi redukovali moguće nepovoljne posledice udara fragmenata koji nisu izgoreli u atmosferi, koji su često veoma teški i padaju na površinu Zemlje velikim brzinama, pribegava se kontrolisanom obaranju u oblasti voda okeana ili u nenastanjene predele pustinja. Tokom kontrolisanog silaska objekat ulazi u gušće slojeve atmosfere u određenom položaju, za koji se proračunavaju aerodinamičke sile i momenti sila; tek tada se veoma precizno mogu odrediti regioni u kojima će eventualni nesagoreli fragmeni pasti na Zemlju.

Za planirano spuštanje Svemirske stanice Mir bilo je neophodno odrediti i dobar položaj solarnih panela, koji bi dozvolio da se maksimalno smanje aerodinamičke sile koje bi ometale silaznu putanju kao i da se poveća vuča. Ovim se  omogućila značajna redukcija potrošnje goriva za održavanje zadate orijentacije stanice pomoću reaktivnog sistema za kontrolu kretanja. Zbog toga, neophodno je bilo precizno poznavanje aerodinamičkih sila i momenata sila Mira kako bi ga iz orbitalne faze sletanja doveli do visine na kojoj će se raspasti na fragmente.

Na osnovu prikupljenih iskustava iz spuštanja mnogo različitih svemirskih objekata, na primer Saljuta 7, početak procesa dezintegracije Svemirske stanice na pojedine delove očekivao se na visini od 120 do 130 km. Odabiranje optimalne orijenta- cije Mira zahtevalo je izuzetno velik broj multiparametarskih proračuna u vezi njegovih aerodinamičkih karakteristika za različite konfiguracije, uglavnom određene položajem solarnih panela. Upotrebom egzaktnih statističkih i inženjerskih metoda ovi su proračuni zahtevali znatne kompjuterske resurse. Ispostavilo se da opadanje u visini leta sa 200 na 130 km ne vrši primetan efekat na jačinu sile i koeficijente momenata, kao i da postoje dve moguće konfiguracije solarnih panela koje će maksimalno smanjiti ometajuće sile i pojačati vuču.

Osnovne informacije o Svemirskoj stanici Mir

Osnovni modul ruske svemirske stanice Mir lansiran je 19 februara 1986. Naknadna lansiranja tokom godina i veliki broj montaža u orbiti rezultovale su neverovatnom konfiguracijom od šest priključenih modula: Kvant, Kvant 2, Kristal, Spektar, Priroda i Sojuz. Uključujući snabdevačko vozilo Progres M, Mir je imao ukupnu masu od oko 140 tona.

U toku 15 godina koje je provela u orbiti, stanica je uglavnom bila nastanjena. Radila je daleko duže od 3,5 godine za koliko je bila projektovana. Služila je kao demonstrator novih tehnologija, orbitalna laboratorija i osnovna baza za proučavanje dugoročnih efekata bestežinskog stanja na ljudsko telo. Osim 104 ruska kosmonauta, Mir je ugostio mnoge međunarodne istraživače, uključujući i 62 američka astronauta.

U mnogim oblastima nauke kao što su biologija, inženjerstvo, fizika, hemija i medicina, stanica je predstavljala apsolutan uspeh. U toku njenog rada započeto je i završeno 28 dugoročnih i 16 kratkotrajnih ekspedicija.

Mir je poslužio i kao esencijalan poligon za realna testiranja mnogih tehnoloških rešenja koja će kasnije biti korišćena na Internacionalnoj Svemirskoj Stanici – ISS.

mir1
Slika 1. Svemirska stanica Mir fotografisana prilikom dolaska Space Shutlle-a Atlantis.

Osnovni modul

Ovaj deo stanice imao je ulogu stambenih i radnih prostorija. U modulu su se nalazile odaje posade, prostorije za higijenu i brodska kuhinja. Ovde su bili locirani monitoring sistemi, naučna oprema, laboratorijska oprema i pogonski sistem. Svaki član posade imao je svoju kabinu sa stolicom, vrećom za spavanje i prozorom. Da bi stanica više ličila na prijatno mesto za stanovanje imala je očigledno označen «pod» sa tepisima, «zidove» i «plafon».

Radni deo je ustvari bio 13 metara dugačak modul koji je kontrolisao funkcije čitavog kompleksa i imao čak i deo za rekreaciju. Osnovni modul je takođe raspolagao sa nekoliko portova za pristajanje koji su omogućavali da se sekundarni moduli stanice i transportna vozila spoje sa radnim delom.

Kvant

Kvant je predstavljao astrofizički modul i bio je spojen sa zadnjom stranom stanice. Snabdevao je informacijama za istraživanja fizike aktivnih galaksija, kvazara i neutronskih zvezda ispitivanjem njihovog elektromagnetnog spektra i emisije x-zraka. Bio je dugačak 6 m a imao je 4 m u prečniku.

Kvant 2

Kvant 2 bio je istraživački modul kao i vazdušna komora za izlazak u svemir. Pružao je timovima na Zemlji podatke najrazličitijih osmatranja iz svemira kao i podatke bioloških istraživanja. Vazdušna komora dopuštala je pristup spoljašnjosti svemirske stanice i mogućnost sprovođenja eksperimenata u vezi efekata koji nastaju kada se elektronika i različiti metrijali izlože svemirskom zračenju. Kvant 2 je bio dugačak preko 12 m sa prečnikom od 4 m.

Kristal

Kristal tehnološki modul korišćen je za razvoj bioloških tehnologija i tehnologija obrade materijala u svemirskom okruženju. Sadržao je opremu za proizvodnju poluprovodnika i drugih high-tech materijala za čije stvaranje veoma odgovara okruženje sa niskom gravitacijom u svemiru. Imao je i pristanišni deo korišćen za spajanje sa Shuttle-om. Pored svega ovoga na Kristalu se nalazio i staklenik za uzgajanje biljaka pri nultoj gravitaciji.

Spektar

Ovaj veoma osetljiv modul spojen je sa Mirom u junu 1995 godine. Na njemu se nalazila oprema za ispitivanja atmosfere i Zemljine površine. Kasnije je na Spektar dodato i posebno postrojenje za proučavanje čestica u nižoj orbiti.

Priroda

Modul Priroda je spojen sa stanicom u aprilu 1996. Sadržao je aktivni, pasivni i infra-radiometar, kao i nekoliko vrsta spektrometara koji su služili za merenje koncentracije ozona i aerosola u atmosferi.

Iako je sa puno uspeha obavljao svoje zadatke, u životnom veku koji je trajao skoro pet puta duže od predviđenog, neminovno su iskrsavali sve veći problemi sa Mirom. Jedan od događaja koji je bio od presudnog značaja za buduću sudbinu stanice dogodio se 1997 godine prilikom pristajanja Progresa. Teretni modul nije odgovorio na zadate komande i udario je u istraživački modul Spektar. Rezultat ovog sudara bio je probušen modul iz koga je počeo da ističe kiseonik. Posada je bila prinuđena da napusti stanicu i povuče se u Sojuz i pripremi za hitnu evakuaciju. Situacija je, međutim, stavljena pod kontrolu, stanica je dovedena u puno operativno stanje, ali je njena sudbina ovim bila zapečaćena. Ruska svemirska agencija odlučila je da je vreme da Mir napusti svoje dugogodišnje boravište u orbiti oko matične planete, i bude oboren u vode Pacifika u februaru 2001 godine.

Plan za kontrolisanu promenu putanje i ponovni ulazak u atmosferu

Prilikom ponovnog kontrolisanog ulaska u Zemljinu atmosferu, lokacija rušenja objekta se kontroliše pomoću serije planiranih manevara ili paljenja raketnih motora. Ova se tehnika koristila mnogo puta da bi se obezbedilo da ostaci velikih objekata udare u nenastanjena područja planete, uglavnom u Pacifik. Ogromna masa Mira, koja je uključujući priključen modul Progres, iznosila preko 143 tone, iziskivala je istu ovakvu proceduru. Očekivalo se da će oko 20 tona ostataka svemirske stanice preživeti ponovni ulazak u atmosferu, i trebalo je biti siguran da oni neće prouzrokovati nikakvu štetu.

Potisci (paljenja raketnih motora) koji su bili potrebni za regulisanje orbite Mira potekli su od rakete Progres M1-5, lansirane januara 2001 i spojene sa modulom Kvant. Proračuni su pokazivali da bi centar mase svemirske stanice trebao da udari na 40° jgš i 160° zgd, u tački koja se nalazi na oko 3000 km istočno od Novog Zelanda, i koja je vrlo udaljena od naseljenih ostrva i komercijalnih brodskih puteva.

mir2
Slika 2. Mapa očekivanog mesta pada Mira u okean

Nominalni plan promene orbite razvio je Ruski Kontrolni Centar pod direktivom Ruske Svemirske Agencije i sastojao se iz tri faze:
  1. Period čekanja atmosferske vuče na spuštanje orbite Mira na 220 km srednje visine u pred-silaznu orbitu. Ova je faza započela pripajanjem Progresa.
  2. Transfer na nižu silaznu orbitu (165 km perigeja ´ 220 km apogeja) pomoću dva paljenja raketnih motora, korišćenjem Progresovih potisnika za položaj. Prvo paljenje bi trebalo izvršiti tokom petnaeste dnevne orbite, dok bi se drugi put motori upalili tokom sledeće šesnaeste orbite ( Mir obiđe Zemlju u proseku 16 puta dnevno). Prvi i drugi potisak trebalo bi da smanje brzinu stanice za 9,1 m/s to jest 10,1m/s respektivno.
  3. Transfer sa silazne orbite na ulaznu putanju, pomoću finalnog, trećeg potiska koji će potisnuti stanicu na orbitu od približno 83´213 km. Ovaj se potisak treba odigrati dve orbite posle drugog, takođe tokom dnevne orbite Mira, i on bi smanjio brzinu za još 25 m/s.

Tačan datum ponovnog ulaska Mira u atmosferu određen je na osnovu toga koliko je potrebno aerodinamičnoj vuči da ga «povuče» u nižu orbitu, kao što je bilo predviđeno u pasivnoj fazi 1. Ova sila zavisi od gustine Zemljine atmosfere na velikim visinama, dok sama gustina zavisi od vremenskih uslova u blizini površine, Sunčeve aktivnosti i magnetnog polja planete. Što je izraženija Sunčeva aktivnost, to je jače geomagnetno polje, pa samim tim i gustina atmosfere i odgovarajući otpor Mira.

Svemirski vremenski uslovi variraju sa vremenom, grubo sledeći jedanaestogodi-šnji Sunčev ciklus. Kao i kod Zemaljskog vremena finije varijacije iz dana u dan ne mogu se precizno predvideti. Pošto ovi uslovi imaju veliki uticaj na otpor stanice prilikom ulaska u atmosferu, tačno vreme završetka Faze 1, kada se orbita trebala spustiti na visinu od 220 km bilo je veoma teško odrediti – uz pomoć nekoliko simulacija odlučeno je da to bude 23 marta 2001 godine u 1:00 CET.

Aktivne faze spuštanja, faze 2 i 3, trebale su da počnu posle 4 obilaska nakon prve faze. Pošto je svaki obilazak imao period od 91 minuta, sekvenca skidanja sa orbite trebala je da traje negde oko 5 sati, od prvog uključivanja raketnih motora na Progresu do pada ostataka Mira u Pacifik.

mir3
Slika 3. Predviđeni položaji orbitalnih elemenata

Sva tri paljenja motora trebala su biti izvršena kada se stanica nalazila iznad Zemljine severne hemisfere. Kada se potisci izvrše u apogeju satelitove eliptične putanje, suprotno od smera njegove brzine, to povećava perigej orbite.

Shodno tome, prve dve promene položaja trebale bi da promene putanju Mira sa kružne u blago eliptičnu, sa apogejem iznad severne hemisfere, u luk orbite gde će se motori upaliti, i perigejem iznad južne hemisfere, gde će uslediti ulazak u atmosferu. Treća i poslednja promena položaja takođe bi trebalo da smanji perigej stanice, spuštajući je još niže u gušće slojeve. Mir bi se trebao približavati perigeju približno 35 minuta nakon trećeg paljenja; zatim bi ušao u Zemljinu atmosferu, usporio bi i na kraju se raspao, usled uticaja sila trenja i zagrevanja, rasipajući svoje ruševine duž linije dugačke oko 4000 km. Još u ranijim studijama koje je preduzeo «Spaceflight Controle Centre» u Moskvi zaključeno je da bi manevri promene putanje mogli da se izvedu pomoću kosmičkog broda Progresa; da bi se dogodilo spontano propadanje kroz atmosferu trebalo bi spustiti stanicu Mir na nižu orbitu. Do vrha napunjeni rezervoari Progresa trebalo bi da budu dovoljni za neophodne potiske.

Konkretan zadatak Progresa bio je da spusti Svemirsku stanicu na već pomenutih 165´220 km sa perigejem iznad južnog Pacifika, da bi finalni potisak osigurao ponovni ulazak u atmosferu planete. Ovaj poslednji potisak trebalo bi da traje 10 minuta, koristeći glavni motor koji bi paralelno sa manjim potisnicama obavio manje korekcije orbite. Mali motori bi zatim nastavili da rade sledeća 3 minuta, što bi ukupno iznosilo 13 minuta rada svih potisnika.

mir4
Slika 4. Promena orbitalnih elemenata tokom kontrolisanog spuštanja Mira

legenda

Kako se sve odigralo

Mir je spušten sa orbite pomoću tri paljenja raketnih motora na kosmičkom brodu Progres M1-5. Dva od njih, u intervalu od 91 minuta, iskorišćeni su da smanje perigej stanice na visinu od 160 km iznad površine Zemlje.

Dva kruga oko Zemlje kasnije, poslednje paljenje spustilo je perigej na svega 80 kilometara, da bi se obezbedilo sagorevanje konstrukcije u atmosferi. Sudeći po Kontroli misije, glavna oblast udara bila je blizu 40° južno, 160° zapadno sa ruševinama koje su padale u more 1500 km ispred i iza ove tačke.

mir5

Tačna vremena paljenja raketnih motora na Progresu i dužina njihovog trajanja dati su u donjoj tabeli, zajedno sa promenama u brzini:

 

Vreme (GMT)

Trajanje (min:sec)

Promena brzine (m/s)

1 potisak

00:32:33

20:41

9,3

2 potisak

02:01:14 (+/- 7s)

23:14 (+/- 7s)

10,4

3 potisak

05:08:30 (+/- 30s)

23:00 (+/- 60s)

28,0

Značajan kontakt sa atmosferom dogodio se na visini od 100 km kada su se neki od Mirovih lakših spoljašnjih elemenata (solarni paneli, antene i izolacija) otkinuli kao rezultat naglog prolaska kroz razređen vazduh. Dva minuta kasnije, na 90 kilometru, trenje sa gušćim slojevima atmosfere prouzrokovalo je znatno zagrevanje pa je trup Mira počeo da gori pretvarajući se u sjajan štit usijane plazme.

Ubrzo posle toga čitav orbitalni kompleks stanice se raspao, tako da su se glavni modul i ostali veliki fragmeni, svaki obavijen blještavim omotačem plazme, mogli videti  sa ostrva Fidži naspram noćnog neba.

mir6
Slika 6. Finalna trajektorija svemirske stanice Mir i mesto pada u Pacifik

Postojala je i određena verovatnoća da se spuštanje stanice neće odvijati onako kako je bilo planirano. Može se dogoditi da svemirski objekti (sateliti) nekontrolisano ulete u atmosferu ukoliko njihove orbite «propadnu» usled delovanja aerodinamičke vuče. Već je ranije istaknuto da ova sila u krajnjem slučaju zavisi od gustine atmosfere na velikim visinama – ona varira u odnosu na solarnu aktivnost i intenzitet magnetnog polja Zemlje. Upravo je zbog ovih varijacija nemoguće odrediti kada će se dogoditi upad nekontrolisanog objekta u atmosferu. Međutim, mogu se doneti određene grube procene pomoću odgovarajućih baza podataka i «svemirskih» vremenskih prognoza.

Ovakve predikcije bile su sačinjene i za Svemirsku stanicu Mir u poslednjoj godini njenog života. Prognozirano je bilo da ako kontrolisani ulazak u atmosferu ne uspe, stanica će se sama srušiti početkom aprila 2001 godine.

Sva sreća, ovo se nije dogodilo, i najveća konstrukcija koja je ikada orbitirala oko Zemlje, bezbedno je vraćena na nju. Mnogi koji su posmatrali ovaj događaj zaključili su da pošto niko nikada nije video da se nešto ovako ogromno raspada na nebu, ne može ni sa čim ni da ga uporedi. Glavni organizator u Kontroli misije objavio je:

« Orbitalna Stanica Mir završila je svoj trijumfalni let, koji je bez presedana u istoriji svemirskih letova sa ljudskom posadom, i koji će čovečanstvo tek naučiti da u potpunosti ceni».


Zaključak

Naša epoha nosi pečat snažnog i brzog razvoja nauke i tehnike kakvog do pre samo stotinak godina u istoriji ljudskog društva nije bilo. U tom i takvom razvoju jednu od najistaknutijih uloga igra razvoj astronautike i kosmičkih istraživanja. U svom skromnom položaju u kome se čovek još uvek nalazi u odnosu na prirodu, njegova sposobnost da tehnički ostvari zakone nebeske mehanike i tako krene u prostore van svoje matične planete predstavlja veličanstveni poduhvat, i značajan beleg na našem putu u upoznavanju i potčinjavanju prirodnih sila i njihovom svesnom korišćenju. Kao takav ovaj njegov uspeh je značajniji od mnogih drugih i možda ekvivalentan samo oslobađanju nuklearne energije.

Ovaj razvoj je čoveka već doveo do Meseca, a letelice sačinjene ljudskom rukom i do najdaljih delova Sunčevog sistema. On se i dalje nezadrživo razvija i obećava nastavljanje prodora u međuzvezdani prostor, nova saznanja i nova osvajanja.

Verovatno će jedno od najvećih uspeha čovečanstva na polju konstruisanja veštačkih satelita biti kada naučimo kako da ih bezbedno spustimo na Zemlju, a da smo u mogućnosti da ih posle još nebrojeno puta koristimo.

Reference

  1. Gennady N. Markelov, Alexander V. Kashkovsky, Mikhail S. Ivanov, Aerodynamics of Space Station «Mir» during aeroassisted controlled descent, Novosibirsk,Institute of Theoretical and Applied Mechanics, June 2000.
  2. www.reentrynews.com/mir
  3. www.aero.org
  4. www.space.com/missionlaunches
  5. www.zarya.info/tracking/orbits
  6. Ing. Milivoj Jugin, Čovek i kosmos, Kulturni centar Novi Sad, 1969.
  7. Dogra V.K., Wilmoth R.G., Spacecraft and Rockets, New York, 1998.


O Stanici Mir u AM - kratak izbor:

 15. mart 2001. Svemirska stanica Mir trenutno se nalazi na oko 390 km iznad povrsine Zemlje. Nagib njene putanje je 51,6o. Od kako je pre 15 godina ...

Mir se nalazi u orbiti oko Zemlje 14 godina, gotovo pet puta duze nego sto je to u pocetku planirano. Ugostio je 28 dugih ekspedicija i jos 16 koje su trajale od ...
(ponedeljak), ljubitelji astronomije imace poslednju priliku da na nasem nebu posmatraju prelet proslavljene Ruske svemirske stanice "MIR", obzirom na ...
Sluzbenici kontorole leta ruske svemirske stanice Mir saopstili su da ce stanica biti oborena i potopljena u Pacifik najverovatnije 22. marta ove godine.

Dodaj komentar


Sigurnosni kod
Osveži