Astronautika: misije

Čitao sam da mnogi zamišljaju kako da odu na Mars, pa su čak spremni da to urade u jednom pravcu. Nema nazad kući! Nisam toliko radikalan, ali mi često padne na pamet 'Šta li sada rade Voyageri?' i zamišljam kako bi bilo sesti jedno pola dana u jedan od njih i provozati se. Zašto? Čini mi se da dok god se s njima održava veza, oni će predstavljati naše graničare i osvajače kosmosa u bukvalnom smislu.


<< prethodni deo


Nuklearna elektrana

Na jednom od dva kraća nosača, na sigurnoj daljini, postavljena su tri RTG-a (radioisotopska termoelektrična generatora) koji pokreću svemirsku letilicu (rekoh već, predaleko je od Sunca da bi solarni paneli predstavljali opciju[1]). Svaki RTG sadrži radioaktivni oksid plutonijuma-238 kao izvor toplote, i termoelektrični pretvarač (silicijum-germanijumski termoelemenat). Imaj na umu da ovo nije fisioni izotop plutonijuma-239 koji se koristi u nuklearnom oružju. Plutonijum se raspada emisijom alfa čestica (helijumskih jezgara) koje apsorbuje plutonijumski kontejner i tu energiju pretvara u toplotu. Ona se prenosi kroz termoelement i konačno izračuje u kosmos preko spoljnje površine RTG-a. Termoelementi proizvode struju direktno, zbog razlike u temperaturi između vrlo vrućeg unutrašnjeg kraja termoelementa u blizini plutonijuma i hladnijeg kraja bliže spoljnje površine. Celokupni postupak je vrlo neefikasan, jer se samo oko 5% toplote pretvara u električnu energiju, a ostalih 95%, ili nekoliko kilovata, zrači u kosmos. Zauzvrat za lošu efikasnost, RTG-ovi pružaju vrlo dug vek napajanja sa vrhunskom pouzdanošću (bez pokretnih delova i bez elektronike). RTG-ovi su u vreme lansiranja generisali oko 470 W struje pri 30 V. Izlazna snaga RTG-ova vremenom opada (zbog 87-godišnjeg poluraspada goriva i degradacije termoelemenata), ali brodski RTG-ovi će nastaviti da podržavaju neke njegove operacije makar do 2025. godine.

Decembra 2019, 'Voyager-1' i dalje ima 71,62% plutonijuma-238 kojeg je imao pri lansiranju, ali je zbog degradacije termoelemenata snaga pala ispod 245 W. Do 2050, ostaće još 56,5% nukleagnog goriva.

Lansiranje letilica koje uključuju RTG bilo je kontroverzno u to vreme i njihova upotreba i dalje ostaje takva. RTG-ovi sadrže plutonijum koji je visoko radioaktivan i vrlo kancerogen, te uvek postoji ne-nulti rizik da bi radioaktivni materijal mogao da završi u atmosferi. Do sada nije bilo takvih problema...


vn1
Planirano je da 'Voyager 2' ima za nijansu snažnije generatore jer je trebalo da istražuje i Uran. Cena RTG-a je iznosila $17,7 miliona, a projektovanje je povereno Ministarstvu energetike. Toliko su se pokazali dobro, da ih je do sada napravljeno 50-ak i korišćeni su u brojnim sledećim misijama.

vn2

vn3

Tabela JPL-a koja prikazuje sporo ali konstantno padanje snage RTG-a. Ucrtano je stanje do 2017, a dalje je prikazana anticipacija.

Teleskopi i spektrografi

Na drugoj kratkoj rešetci nalazi se platforma za skeniranje, koja je mogla da se usmeri nezavisno od orijentacije broda. Na sken-platformi je bilo montirano nekoliko instrumenata, uključujući dva teleskopa ili kamere koji su se tako dobro pokazali tokom proletanja pored Jupitera i Saturna. Veći teleskop visoke rezolucije (fotopolarimetar PPS) imao je objektiv od 176 mm, koji je omogućavao ugaonu rezoluciju na optičkim talasnim dužinama (oko 500 nm) od oko 3 mikroradijana[2]. To je značilo 3 km na udaljenosti od milion kilometara. Proletanje pored Titana je izvedeno na visini od 6400 km, ali zbog guste atmosferske magle bilo je moguće razlikovanje detalje veličine oko 20 metara. Mnogo više od ostalih instrumenata, teleskop visoke rezolucije je zahtevao vrlo precizno usmeravanje platforme kamere i miran položaj letilice (orijentaciju) tokom relativno dugog vremena ekspozicije[3], što je bilo neophodno zbog slabog nivoa osvetljenosti. Teleskop visoke rezolucije je imao žižinu duljinu od 1,5 metar.

Na istoj rotirajućoj platformi se nalazila i širokokutna kamera sa objektivom od 67 mm i žižinom dubinom od 200 mm. Obe kamere su uključivale izbor od osam mogućih filtera, koji su mogli da rotiraju duž optičkog puta. U oba slučaja su korišćene vidikon cevi za kameru koje su skenirale slike dobijene putem teleskopa. Vidikon bi se danas smatra vrlo staromodnom tehnikom. Bazirale su se na tehnologiji cevi sa katodnim zracima (CRT) i korišćene su u TV studijima širom sveta se do 80-ih godina, kada ih je zamenila tehnologi CCD-a i CMOS senzora, danas nezamenjiva u svim kamerama i mobilnim telefonima.

vn4

Čitava skan-platforma 'Voyagera 2', uključujući sve instrumente na njoj, isključena je 1998. Svi instrumenti na platformi 'Voyagera 1', sem ultraljubičasti spektrometar (UVS), takođe su isključeni. UVS i dalje radi, ali skeniranje više nije moguće.

vn5

Instrumenti na skenirajućoj platformi.

Kako zvati kući?

Ali na koji se način 'Voyager 1' čuje sa Zemljom? Dominantni elemenat na 'Voyageru' je veliki parabolični 'tanjir' antene napravljen od kompozitne plastike. Nepotrebno je podsetiti da ta antena mora da neprestano bude okrenuta unazad ka Zemjli, jer bi drugačije komunihacioni most mogao biti zauvek izgubljen. Postoji nekoliko mehanizama koji omogućavaju letilici da odredi svoj položaj (orijentaciju u tri dimenzije), uključujući žiroskope i zvezdanu navigaciju (solarni senzor i 'star tracker', zvezdani tragač koji je usmeren ka zvezdi Canopus[4]). Greške u položaju[5] se ispravljaju kratkim impulsima gasa iz neke od kombinacija 16 hidrazinskih trastera (reakcioni točkovi nisu korišćeni na 'Voyagerima'[6]) radi održavanja nišanjenja glavne antene u pravcu Zemlje. Pri frekvencijama od 2,1 i 2,3 GHz, kojima se šalju komande i telemetrija, talasna dužina iznosi oko 14 cm, tako da je rezolucija 3,7-metrskog tanjira antene oko 14/370 radijana, odn. 2 stepena. Ako letilica nehotice izgubi orijentaciju, može samostalno da se usmeri ka Suncu i Kanopusu, i automatski se reorijentiše mnogo preciznije od 2 stepena i tako ponovo uspostavi komunikaciju sa Zemljom.

Celularni mobilni telefoni rade na sličnim frekvencijama kao 'Voyageri' (njihov glavni opseg je malo ispod 2 GHz). Pa kako to da mobilni rade na daljini od samo nekoliko desetaka kilometara, ali 'Voyageri' komuniciraju na udaljenostima milijardu puta većim od toga? Nadalje, snaga opada sa kvadratom udaljenosti, tako da je signal milijardu milijardi (1018) puta slabiji[7]! Očigledno, 'Voyager' ne mora da se bori sa smetnjama koje prave drugi mobilni telefoni i nema prepreka u vidu zgrada ili terena. Deo tajne leži u nivou snage i brzinama prenosa podataka. Mobilni prenosi podatke snagom manjom od jednog vata, dok 'Voyageri' koriste snagu od oko 20 W. Mobilni može da emituje više megabita u sekundi, dok se 'Voyagerove' naredbe i telemetrija emituju brzinom od nekoliko desetina bitova u sekundi (više energije po svakom bitu). Drugi važan faktor je upotreba kriogenih prijemnika na Zemlji. One djeluju na efektivnoj temperaturi od samo nekoliko stepeni iznad apsolutne nule. Time se toplotni šum koji se stvara lokalno u prijemniku smanjuje na nivo sličan onom kod pozadinskog mikrotalasnog zračenja (2,7K). To smanjuje nivo šuma prijemnika za otprilike sto puta ispod tipičnog prijemnika koji radi na sobnoj temperaturi.

Međutim, najvažniji faktor u komunikaciji na tako velikim daljinama jeste upotraba vrlo velikih usmerenih antena na oba kraja veze. Posledica visoke rezolucije ili vrlo uskog snopa tanjira antene je njegovo veliko pojačanje u preferiranom smeru. Na Zemlji, sva energija, antena efikasno skuplja svu energiju koja pada na površinu tanjira. Antena 'Voyagera' ima prečnik 3,7 m, dok Nasina Deep Space Network (DSN) ima više antena od 70 m i 35 m koje se mogu spojiti zajedno. Tako je ukupno pojačanje antene u ovom slučaju uvećano za šest milijardi ili više, u zavisnosti od toga koliko je DSN antena povezanih zajedno.

vn6

Tanjir glavne komunikacione antene. Kada stignu do Zemlje, signali koji se šalju preko ovakvog tanjira imaju 'snagu' od samo 10-18 W. Do kraja misije sa Neptunom, na Zemlju je stiglo isto informacija koliko ih staje u 6000 kompleta 'Enciklopedije Britanike', odn. po 1000 bita po glavi svakog stanovnika naše planete. Godinama je NASA sa svakog 'Voyagera' primala izveštaje o njihovom statusu jednom nedeljno. Međutim, pre par godina ta praksa je prekinuta, kaka piše u izveštaju Nase, 'zbog manjka interesovanja i otpuštanja nekih od članova tima zbog manjka posla'. Koga interesuju detalji, evo Sequence of Events and Space Flight Operations Schedule.

vn7

Poređenje veličine jedne od ogromnih antena (mislim da je ovo ona iz Kambere) koje prate 'Voyagere'. Svaka od njih redovno prati i 30-ak drugih letilica, i izboriti se za slobodan termin na njima je skoro nemoguće.

Kao i jednostavna telemetrija sa 'Voyagera', koja se prenosi brzinom od 16 bita/s, veće količine naučnih podataka mogu da se iščitavaju s magnetofona pri različitim brzinama trake i brzinom prenosa u Kbit/s režimu. Ove znatno veće brzine slanja podataka znače da je na raspolaganju još manje energije po bitu. Da bi se prevladao taj gubitak, podaci na većoj brzini prenose se preko nosećeg signala[8] na 8,4 GHz. Talasna dužina ove frekvencije je samo 36 mm, ili otprilike četvrtina talasne dužine koja se koristi za prenos telemetrije. Kao posledica toga, antene na oba transmisiona kraju imaju mnogo uže širine snopa (što čini precizno usmeravanje mnogo kritičnijim), ali zato one omogućavaju 16 puta više podataka na svakom kraju linka (ukupno 256 puta više) i tako omogućavaju da se naučni podaci mnogo brže preuzimaju na Zemlju.

Znajući sve ovo, konačno sam shvatio, ležeći u tanjiru svog prevoza, poreklo nekih 'zvukova' koja sam više osećao nego čuo. Povremeno, u tačno određeno vreme, čuo sam (preko leđa skafander, jer zvuk ne putuje kroz vakuum) tihi klik i zujanje koje je označavalo da je traka u magnetofonu[9] počela da se okreće. To svaki put izaziva vrlo, vrlo sporo rotiranje sonde usled reakcije na rotiranje motora magnetofona (očuvanje ugaonog momenta), što čak ni ja, sa svojim savršenim čulima, jedna da primećujem. Međutim, zato jasno čujem kratke zvuke koje povremeno pravi jedan ili više 'Voyagerovih' hidrazinskih[10] trastera[11] dajući milisekundne korekcije. (Ranije tokom putovanja, ove su ispravke bile apsolutno neophodne da se ne bi 'razmazali ' snimci visoke rezolucije dok su teleskopi snimali slike Jovianskih i Saturnovih satelita a magnetofoni to pamtili). Tihi zvukovi znače da se sakupljeni naučni podaci beleženi 6 meseci skidaju sa magnetofona i prenose ka Zemlji, iako će proći 20 sati i 35 minuta pre nego što konačno udare u džinovske tanjire Nasine deep-space mreže.

vn8

Trasteri na kosmičkoj sondi. Plavim su obeležena četiri TCM trastera su okrenuta u istu stranu i nisu uparena; ljubičastim je obeležen set za kontrolu 'valjanja' (roll) – dve grane za +roll i – roll; zelenim je obeležen set za 'skretanje' (yaw) [ili 'propinjanje' (pitch), u zavisnosti kako se definišu ose; takođe imaju dve grane za +yaw i -yaw]; narandžasti par isto ima dve grane za +pitch (propinjanje) (ili skretanje u zavisnosti od definicije; ne vidi se još par –pitch, skriven negde odozdo). ( Slika preuzeta odavde).

vn9

Traster MR-103G (na slici) vrlo je sličan onima koji su ugrađeni na 'Voyagere'.

vn10
Na kraju sam sišao sa 'Voyagera' i vratio se kući jer mi se zavrtelo u glavi, a možda sam i ogladneo. Ovo je prikaz putanje sonde, gde se vidi zašto mi se zavrtelo. (Veća slika).

vn11

Ovde ti je (skoro) sve o 'Voyagerima'.

 

[1] Već dalje od Saturna, smatra se da su solarni paneli neefikasni i da bi njihova minimalna površina bila toliko velika da bi bili neracionalni za lansiranje.

[2] Ugaona rezolucija sistema je izražena približno talasnom dužinom podijeljenom s prečnikom sočiva ili ogledala objektiva. To vredi jednako za parabolične radio-tanjire kao i za sočiva ili ogledala u optičkih teleskopa.

[3] 'Voyageri' su usmeravali svoje instrumente pomoću pokretne platforme sa preciznošću od 1/10 stepena. Da bi se izbegla 'razmazanost' TV slika, bilo je potrebno da za vreme ekspozicije ugaono kretanje letilice bude što je moguće manje. Pomoću moćnog softvera izvođeno je paljenje trastera na takav način da im se rad merio u milisekundama, što je u trenutku ekspoziicije svodilo pomeranje letilice na minimum. Tokom takvih manevara, sonda se pomerala 15 puta sporije od velike kazaljke na satu...

  Ali čak ni to nije bilo dovoljno kada se snimao Neptun, čiji je nivo osvetljenosti oko 900 puta manji od onoga na Zemlji. Zato su inženjeri pronašli način (putem žiroskopa) da kamere na 'Voyageru 2' budu 30 puta mirnije od velike kazaljke. [Оvо је preuzeto iz I toma naše enciklopedije 'Neka naučna otkrića i ronalasci koji su promenili istoriju čovečanstva'.]

[4] To je druga najjača zvezda na našem nebu pored Sirijusa. Canopus je prilično udaljen od ostalih sjajnih zvezda, što je čini odličnom referentnom tačkom za brodsko navigavanje. Po grčkoj mitologiji, Canopus je bio navigator Menelaja, kralja Sparte.

[5] Zanimljiv je podatak da sonde zapravo nikad ne miruju, već pod kontrolom računara lagano osciluju oko 3 ortogonalne ose. Čim otstupanje izađe van ±0,10°, trasteri reaguju.

[6] U to vreme to je bila relativno nova tehnologija (prvi put korišćena kod serije 'OGO' satelita, prvi put lansirani 1964.), i bilo je određenih argumenata protiv njihovog korišćenja.

[7] Trenutno, signal je neverovatno slab... samo 0,000000000000000000722 W! Zamisli da sijaličicu iz frižidera možeš da vidiš sa daljine od 22.100.000.000 km!

[8] To je visokofrekventni sinusoidni signal koji prenosi informacije (prenosni signal) kroz kosmos kao elektromagnetni talas.

[9] Osmokanalni brodski magnetofon (DTR) je tako napravljen da je u stanju da snimi i reprodukuje veliki broj podataka. Magnetna glava je bila takva da je bilo predviđeno da se ne pohaba sve dok traka dužine čitave Amerike ne prođe napre i nazad preko nje. To je jednako kao da jednu dvočasovnu VHE kasetu puštamo jednom dnevno sledećih 22 godine bez kvara. [Оvо је preuzeto iz I toma naše enciklopedije 'Neka naučna otkrića i ronalasci koji su promenili istoriju čovečanstva'.]

[10] N2H4 je bezbojna tečnost slične gustine kao voda. Jako je zapaljiv i otrovan, ali odličan kao raketno gorivo jer mu ne treba oksidator i samozapaljiv je uz pomoć katalizatora kao što je iridijum. Na mom 'Voyageru' je ostalo još manje od 24 litra hidrazina. Koliko se sećam, letilice su krenule sa ~100 kg.

  Kada je 1977. trebalo da 'Voyager 1' izvede manevar podešavanja trajektorije pored Jupitera, potrošeno je svega oko 2 kg hidrazina umesto planiranih 14 kg, tako da su obe letilice sačuvale više goriva nego što su se nadale. Na ovom sajtu iz 2011. piše da je 'Voyager 1' tada imao još 25,9 kg hidrazina, a da za svako korigovanje položaja antene troši samo oko 100 grama! Radi poređenja: pronašao sam podatak da je od lansiranja do Neptuna 'Voyager 2' leteo 4388 dana. Za to vreme glavni i pomoćni trasteri su uključivani između 175.000 i 345.000 puta, u zavisnosti od grane.

[11] Te motore tehničari u Nasi zovu 'puff', imitirajući zvuk koji oni prave za taj delić milisekunde. 


<< prethodni deo


Epopeja VOYAGER - e-knjiga o Vojadžeru
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