Zamisli da ti neko ponudi da opremiš kosmičku ekspediciju. Koji će ti uređaji, sistemi, resursi biti potrebni tamo daleko od Zemlje? Odmah ti padaju na pamet motori, gorivo, skafanderi, kiseonik. Malo kasnije, razmislivši, setićeš se solarnih panela i komunikacionog sistema ... (Meni padaju na pamet i topovi kao iz serije 'Star Trek'.) U međuvremenu, savremene kosmičke letilice, posebno putničke, opremljene su brojnim sistemima bez kojih bi njihov uspešan rad nemoguć, ali gotovo ništa od toga nije poznato široj javnosti. Zato da vidimo o čemu se radi...
Nasini inženjeri u Godardovom kosmičkom centru u Merilendu rade na japansko-američkom satelitu misije 'GPM' (Global Precipitation Measurement) koja je imala zadatak da studira gobalnu kišu, sneg i led na Zemlji.
Vakuum, bestežinsko stanje, snažno zračenje, bombardovanje mikrometeorita, nedostatak smerova u kosmosu – sve su to faktori kosmičkog leta sa kojima se praktično ne srećemo na Zemlji. Da bi se nosili s njima, kosmičke letilice su opremljene mnogobrojnim uređajima o kojima u svakodnevnom životu niko ne razmišlja. Vozač, naprimer, obično ne mora da se trudi da drži automobil u vodoravni položaj, a za skretanje mu je dovoljno da okrene volan. U kosmosu, pre bilo kakvog manevara, potrebno je proveriti orijentaciju letilice po sve tri ose, a skretanja izvode motori – nema puta od kojeg bi mogao da se odgurneš točkovima. Ili, naprimer, pogonski sistem – njega (pojednostavljeno) predstavaju rezervoari s gorivom i komora za sagorevanje iz koje izbijaju mlazevi gasova. Pored toga, u njegov sastav ulaze mnogi uređaji, bez kojih motor u kosmosu neće da radi, pa čak ni da eksplodira. Sve to čini svemirsku tehnologiju neočekivano složenom u poređenju sa zemaljskim analozima.
Većina modernih kosmička aparata ima raketne motore s tečnim gorivom. Međutim, pri nultoj gravitaciji nije lako osigurati stabilno snabdevanje gorivom za njih. U nedostatku gravitacije, bilo koja tečnost pod uticajem površinske otpornosti zauzima oblik lopte. Obično se unutar rezervoara formiraju brojne plutajuće kuglice. Ako komponente goriva teku neravnomerno, zajedno sa gasom koji popunjava praznine, sagorevanje će biti nestabilno. U najboljem slučaju motor će se zaustaviti – doslovno će se 'ugušiti' mehurićima gasa, a u najgorem – eksplozijom. Stoga, da bi pokrenuo motor, moraš da potisneš gorivo ka pumpama, odvajajući tečnost od gasa. Jedan od načina 'sedimentacije' goriva jeste uključivanje pomoćnih motora, naprimer, na čvrsto gorivo ili onih koji radi na komprimovani gas. Nakratko će se stvoriti ubrzanje, a tečnost će po inerciji biti potisnuta ka komori za sagorevanje, oslobađajući se mehurića gasa. Drugi način jeste da se osigura da prva porcija tečnosti uvek ostaje u komori. Da bi to uradio, možeš blizu nje da staviš mrežasti zaslon, koji će zbog kapilarnog učinka zadržati deo goriva za pokretanje motora, a kad ovaj proradi, ostatak će se 'nakupiti' po inerciji, kao u prvoj varijanti.
Kinezi su kasno ušli u kosmičku trku, ali danas su u samom vrhu praktično u svim kategorijama. Ove godine planiraju rekordnih oko 40 lansiranja u kosmos! Može da ih uspori samo korona.
Ali postoji i radikalniji način: sipati gorivo u elastične mehove smeštene unutar tankova, a zatim upumpati gas u tankove. Za podizanje pritiska obično se koriste azot ili helijum, koji se čuvaju u malim tankovima pod visokim pritiskom. Naravno, to je dodatna težina, ali s malim povećanjem snage motora moguće je rešiti se komplikovanih pumpi za gorivo – pritisak gasa osigurava upumpavanje komponenti kroz cevovode do komore za sagorevanje. Za snažnije motore, nisu neophodne pumpe sa električnim ili pak sa pogonom sa gasnim turbinama. U poslednjem slučaju turbinu vrti gasni generator – mala komora za sagorevanje u kojoj sagorevaju glavne komponente ili posebno gorivo.
Manevrisanje u kosmosu zahteva visoku preciznost, što znači da vam je potreban regulator koji će da stalno koriguje potrošnju goriva, obezbeđujući proračunatu silu potiska. Važno je konstantno održavati pravilan odnos goriva i oksidanta, inače će efikasnost motora opadati, a sem toga, jedna će se komponenta goriva potrošiti pre druge. Brzina protoka komponenti meri se postavljanjem malih propelera u cevovode, čija brzina rotacije zavisi od brzine protoka fluida. A kod motora male snage, tzv. trastera, protok je strogo podešen kalibrisanim 'šajbnama' instaliranim u cevovode.
Levo: Monopropelantni (hudrazinski) traster za orijentaciju Marsovih lendera 'Viking'. Danas ga je moguće kupiti preko eBaya za $300. Desno je evropski bipropelantni traster sonde 'Rosetta' snage 10 N.
Cevovod goriva motora najjače evropske rakete 'Ariane 5'.
Pogonski sistem je po pravilu opremljen havarijskom zaštitom koja isključuje neispravni motor pre nego što eventualno eksplodira. Zaštitom upravlja automatika, jer se u ekstremnim situacijama temperatura i pritisak u komori za sagorevanje mogu vrlo brzo da promene. Uopšteno, motori i cevovodi sistema za snabdevanje gorivom predmet su povećane pažnje u bilo kakvoj kosmičkoj letilici. U mnogim slučajevima, snabdevanje gorivom određuje radni vek modernih komunikacionih satelita i naučnih sondi. Često se stvara paradoksalna situacija: aparat je u potpunosti operativan, ali ne može više da radi zbog ispražnjenih rezervoara ili, naprimer, zbog curenja inertnog gasa koji stvara pritisak u rezervoarima.
SVETLO UMESTO TOČKA
Za posmatranje Zemlje i nebeskih tela, rad solarnih panela i radijatora za hlađenje, za sprovođenje komunikacionih sesija i operacija spajanja sa drugim brodom ili stanicom, aparat mora da se orijentiše na određeni način i stabilizuje u tom položaju. Najočigledniji način za utvrđivanje orijentacije je upotreba zvezdanih senzora, minijaturnih teleskopa koji prepoznaju nekoliko referentnih zvezdi na nebu. Naprimer, senzor sonde 'New Horizons' je na putu ka Plutonu fotografisao 10 puta u sekundi određeni deo zvezdanog neba i svaki kadar upoređivao s mapom softverski instaliranom u memoriju brodskog računara. Ako se kadar i karta podudaraju, to je značilo da je sve u redu s orijentacijom, a ako ne, lako je izračunati odstupanje od željenog položaja.
Precizne rotacije i pomeranja kosmičkih letilica takođe je moguće izvršiti pomoću žiroskopa – malih, ponekad i minijaturnih zamajaca, kardanski učvršćenih, koji mogu da rotiraju brzinom reda 100.000 okr./min! Takvi žiroskopi su kompaktniji od zvezdanih senzora, ali nisu pogodni za okrete veće od 90 stepeni. Laserski žiroskopi – prstenasti i sa fiber-optičkim vlaknima – lišeni su ovog nedostatka. Kod prvog, dva svetlosna talasa koje laser emituje cirkulišu jedan ka drugome u zatvorenoj petlji, odbijajući se od ogledala. Budući da je frekvencija talasa ista, oni, savijajući, tvore interferencijski uzorak. No s promenom brzine rotacije uređaja (zajedno s ogledalima), frekvencije reflektovanih talasa se menjaju zbog Doplerovog efekta a interferencijske trake počinju da se kreću. Prebrojavajući ih, možete tačno da izmerite koliko se promenila ugaona brzina.
U fiber-optičkom žiroskopu dva laserska zraka idu jedan prema drugom duž prstenaste staze, a kad se susretnu, razlika u fazama proporcionalna je brzini rotacije prstena (ovo je tzv. Sagnacov efekat). Prednost laserskih žiroskopa se krije u nedostatku mehanički pokretnih dijelova – umesto njih korist svetlost. Takvi žiroskopi su jeftiniji i lakši od klasičnih mehaničkih, iako su praktički inferiorniji od njih po pitanju tačnosti. Ali laserski žiroskopi ne mere orijentaciju, već samo ugaone brzine. Znajući ih, brodski računar sumira položaje u svakom deliću sekunde (ovaj postupak se naziva integracija) i izračunava ugaoni položaj letilice. Ovo je vrlo jednostavan način praćenja orijentacije, ali, naravno, takvi izračunati podaci su uvek manje pouzdani od rezultata dobijenih direktnim merenjem, i zahtevaju redovno kalibrisanje i ažuriranje.
Žiroskopi za ISS čekaju da budu poslati u orbitu.
Američki astronaut uvežbava u bazenu proceduru zamene žiroskoma na teleskopu 'Habl'.
Usput, na sličan način se prate i promene u translacionoj brzini aparata. Njegovo direktno merenje zahteva težak Doplerov radar. On se postavlja na Zemlju, a meri samo jednu komponentu brzine. No, na letilici nema problema izmeriti njeno ubrzanje pomoću visokopreciznih akcelerometara, na primer, piezoelektričnih. To su specijalno izrezane kvarcne ploče veličine spajalice, koje se deformišu pod dejstvom ubrzanja, zbog čega se na njihovoj površini pojavljuje statički električni naboj. Neprekidnim merenjem oni nadgledaju ubrzanje aparata i, integrišući ga (to opet ne može bez brodskog računara). izračunavaju promene brzine. Istina, takva merenja ne uzimaju u obzir utecaj gravitacionog privlačenja nebeskih tela na brzinu aparata.
TAČNOST MANEVRISANJA
Dakle, definisali smo orijentaciju aparata. Ako se razlikuje od zahtevane, odmah se izdaju naredbe 'izvršnim organima', npr. mikromotorima (odn. 'trasterima') sa komprimovanim gasom ili tečnim gorivom. Ti motori obično rade u impulsnom režimu: kratkim potiskom za počinjanje skretanja, a zatim novim, u suprotnom smeru, kako ne bi 'otklizali' od željenog položaja. Teoretski, dovoljno je imati 8-12 ovih motora (po dva para za svaku osu rotacije), ali radi pouzdanosti se često stavlja više. Što tačnije treba održavati orijentaciju aparata, to češće treba uključivati motore, što, opet, povećava potrošnju goriva.
Drugu mogućnost kontrole orijentacije pružaju moćni žiroskopi – žirodini[1]. Njihov rad se bazira na zakonu o očuvanju momenta. Ako se pod uticajem spoljnjih faktora stanica počne da okreće u određenom smeru, dovoljno je 'zavrteti' zamajac žirodina u istom smeru, i on će 'preuzeti rotaciju na sebe' i neželjeni zaokret stanice će se zaustaviti.
Šematski prikaz rada laserskog prstenastog žiroskopa. Tri takva uređaja, raspoređena normalno jedan na drugi, mere ugaonu brzinu po tri ose sa vrlo malom greškom.
Pomoću žirodina možemo ne samo da stabilizujemo satelit, već i da promenimo njegovu orijentaciju, ponekad čak i preciznije nego koristeći raketne motore. No, da bi žirodini bili efikasni, moraju da imaju veliki momenat inercije, što podrazumeva značajnu masu i veličinu. Za velike satelite, žiroskopi mogu da budu vrlo veliki. Npr., tri žiroskopa američke orbitne stanice 'Skylab' težila su po 110 kilograma svaki i postizala su oko 9000 okr./min. Na Međunarodnoj kosmičkoj stanici (ISS), žirodini su uređaji veličine mašine za veš, svaki težine oko 300 kilograma. Uprkos njihovoj težini, i dalje je isplativije koristiti njih od stalnog snabdevanja stanice gorivom.
Međutim, veliki žirodin ne može da se ubrza više od nekoliko stotina ili najviše hiljada obrtaja u minuti. Ako spoljnji poremećaji stalno okreću aparat u istom smeru, tada zamajac dostiže svoju maksimalnu brzinu i mora da se 'rastereti' uključivanjem trastera za orijentaciju.
Za stabilizaciju aparata dovoljne su tri žirodina sa međusobno okomitim osama. Ali se obično stavlja više njih: kao i svaka sprava koji ima pokretne delove, i žirodini mogu da se pokvare. Tada moraju da se poprave ili zamene. 2004. godine, za remont žirodina koji su se nalazili na ISS, njegova posada je morala da izvede nekoliko izlazaka u kosmos. Nasini astronauti su 1994. zamenili već istrošene i dotrajale žirodine prilikom posete Hublovom teleskopu u orbiti. Sledeća takva operacija je izvedena krajem 2009. godine. Bez nje, kosmički teleskop verovatno ne bi mogao više da radi. Siguran sam da će prestanak rada žiroskopa biti glavni razlog prestanka rada ovog čuda-teleskopa[2].
Napajanje
Za rad elektronike, kojom je svaki satelit nabijen 'k'o oko', potrebna je energija. Po pravilu, za napajanje mreže se koristi jednosmerna struje napona od 27-30 V. Za distribuciju energije se koristi razgranata kablovska mreža. Mikrominijarizacija elektronike omogućava smanjenje preseka žica, jer moderna oprema ne zahteva veliku snagu struje, ali nije moguće značajno smanjiti njihovu dužinu, koja uglavnom zavisi od dimenzija aparata. Za male satelite radi se o desetinama i stotinama metara, a za kosmičke brodove i orbitalne stanice desetke i stotine kilometara!
Na letilicama čiji radni vek ne prelazi nekoliko nedelja, kao izvori energije se koriste jednokratne hemijske baterije. Dugovečni telekomunikacioni sateliti ili međuplanetne stanice obično su opremljeni solarnim panelima. Svaki kvadratni metar u Zemljinoj orbiti prima zračenje sa Sunca ukupne snage 1,3 kW. Ovo je takozvana solarna konstanta. Moderne solarne ćelije pretvaraju 15-20% ove energije u električnu energiju. Prvi put su solarni paneli korišćeni na američkom satelitu 'Vanguard-1', lansiranom u februaru 1958. godine. Oni su omogućili ovom satelitu da produktivno živi i radi do sredine 1960-ih, dok je sovjetski 'Sputnik-1', koji je nosio jedino akumulator, utihnuo nakon nekoliko nedelja.
Važno je napomenuti da solarni paneli obično rade samo u kombinaciji s akumulatorima, koji se pune na Sunčanoj strani orbite a u senci odaju energiju. Ovi su akumulatori takođe od vitalnog značaja u slučaju gubitka orijentacije prema Suncu. Ali oni su teški i zato često mora da se smanjuje težina ostale opreme u aparatu. Ponekad to vodi do ozbiljnih problema. Naprimer, 1985. godine, tokom leta bespilotne stanice 'Saljut-7', njeni solarni paneli su prestali da pune akumulatore usled kvara. Vrlo brzo, brodski sistemi su iscedili iz njih sve sokove, a stanica se ugasila. Stanicu je uspeo da spasi specijalni 'Sojuz', poslat ka kompleksu koji je bio nem i nije odgovarao na zemaljske naredbe. Spojivši se sa stanicom, kosmonauti Vladimir Džanibekov i Viktor Savinih su obavestili Zemlju: 'Hladno je, ne možemo da radimo bez rukavica. Na metalnim površinama je inje. Oseća se miris ustajalog vazduha. Na stanici ništa ne radi. Zaista kosmička tišina...' Veštim akcijama posada uspela da udahne život u 'ledenu kuću'. Ali u sličnoj situaciji, spašavanje jednog od dva komunikaciona satelita tokom prvog lansiranja para 'Jamala-100', nije bilo moguće.
Provera i montaža solarnih panela za satelit.
U spoljnjim oblastima Sunčevog sistema, van Marsove orbite, solarni paneli su neefikasni. Zato napajanje međuplanetnih sondi osiguravaju radioizotopski termoelektrični generatori (RTG). Obično su to hermetički metalni cilindri, iz kojih izlazi par žica pod naponom. Duž ose cilindra se nalazi šipka (ili niz valjaka) radioaktivnog te stoga vrućeg materijala. Posebni, relativno prosti mehanizmi od bimetala pretvaraju temperaturnu razliku u električnu struju. Neiskorišćena toplota se može 'iskoristiti' za zagrevanje određene opreme. Tako se radilo na sovjetskim 'Lunohodima' i na američkim sondama 'Pioneer' i 'Voyager'.
Kao izvori energije, u RTG-ovima se koriste radioaktivni izotopi, kako kratkog veka s vremenom poluraspada od nekoliko meseci do godine (polonijum-219, cerijum-144, kirijum-242), tako i dugog veka, koji traju decenijama (plutonijum-238, prometijum- 147, kobalt-60, stroncijum-90). Naprimer, generator već pomenute sonde 'New Horizons' 'napunjen' je sa 11 kilograma dioksida plutonijuma-238, koji je pred samo lansiranje davao izlaznu snagu od 240 W[3]. Kućište RTG-a izrađeno je da bude vrlo izdržljivo – u slučaju nesreće mora da izdrži eksploziju rakete i ulazak u Zemljinu atmosferu; osim toga, služi kao štit za zaštitu brodske opreme od radioaktivnih emisija.
Uopšteno, RTG je jednostavna i izuzetno pouzdana stvar, u kojoj prosto nema šta da se pokvari. Dva njegova značajna nedostatka su: strašno visoki troškovi (desetine miliona dolara), jer se potrebni izotopski materijali ne javljaju u prirodi, već se tokom godina izdvajaju u nuklearnim reaktorima, i relativno niska izlazna snaga po jedinici mase. Ako je uz dugotrajan rad potrebna i veća snaga, onda se predlaže korišćenje nuklearnog reaktora. Oni su postojali, npr. na sovjetskim radarskim satelitima za pomorsku špijunažu 'US-A'(17F16K), koje je razvio konstruktorski biro V.N. Čelomeja. Ali u svakom slučaju, upotraba radioaktivnih materijala zahtijeva najozbiljnije mere sigurnosti, posebno u slučaju vanrednih situacija u procesu lansiranja u orbitu.
Izbjegavanje toplotnog udara
Gotovo sva energija potrošena na brodu se na kraju pretvara u toplotu. Tome treba dodati zagrevanje izazvano Sunčevim zračenjem. Na malim satelitima, kako bi se sprečilo pregrejavanje, koriste se toplotni štitovi koji reflektuju Sunčevu svjetlost, kao i vakuumska toplotna izolacija – višeslojni paketi naizmeničnih slojeva vrlo tankog fiberglasa i polimerskog filma aluminijuma, sa srebrnim ili čak zlatnim oblogama. Spolja se na taj 'slojeviti kolač' stavlja hermetički poklopac, iz kojeg se ispumpava zrak. Da bi solarno grejanje bilo ravnomernije, satelit može da se polako okreće. Ali takve su pasivne metode dovoljne samo u retkim slučajevimam kada je snaga ugrađenih instrumenata mala.
Na više ili manje velikim kosmičkim aparatima, kako bi se izbeglo pregrejavanje, potrebno je aktivno se rešiti viška toplote. U kosmosu postoje samo dva načina za to: isparavanjem tečnosti i toplotnim zračenjem s površine aparata. Isparivači se retko koriste jer je za njih potrebno poneti sa sobom rashladno sredstvo. Mnogo češće se koriste radijatori, koji 'zrače' toplotu u kosmos.
Sonda 'New Horizont'. Levo se vidi crni cilinder (GPHS)-RTG-a sa radijatorima, a na vrhu je tanjir glavne antene.
Zračenje toplote proporcionalno je izloženoj površini, a prema Štefan-Bolcmanovom zakonu, četvrtom stepenu temperature površine. Što je aparat veći i složeniji, to ga je teže ohladiti. Činjenica je da se oslobađanje energije povećava proporcionalno njegovoj masi, odn. kubu veličine, a izložena površina proporcionalno samo kvadratu. Naprimer, iz generacije u generaciju, sateliti su se povećali 10 puta – prvi su bili veličine televizora, a danas su postali veličine autobusa. Istovremeno, masa i energija su se povećali 1000 puta, a površina – samo 100. Znači, po jedinici površine bi trebalo osloboditi 10 puta više zračenja. Da bi se to postiglo, apsolutna temperatura površine satela (u Kelvinima) bi trebala da bude 1,8 puta veća (4-10). Naprimer, umesto 293K (20°C) – 527K (254°C). Jasno je da se aparat ne može toliko da zagreje. Stoga savremeni sateliti, koji ulaze u orbitu, nemaju samo solarne panele i velike antene, već i radijatore, koji su po pravilu na onoj površini aparata usmerenoj prema Suncu.
No sâm radijator samo je jedan od elemenata sistema regulacije temperature. Uostalom, još uvek je neophodno dovesti toplotu da bi ona bila izbačena. Najrasprostranjeniji su aktivni tečni i gasni sistemi hlađenja zatvorenog tipa. Rashladno sredstvo teče oko zagrejanih elemenata aparature, a zatim ulazi u radijator na spoljnjoj površini aparata, odvodi toplinu i ponovo se vraća ka izvorima (rashladni sistem u automobilu deeluje na približno sličan način). Dakle, sistem toplotne regulacije uključuje razne unutrašnje izmjenjivače toplote, gasne cevovode i ventilatore (u aparatima sa hermetizovanim korpusima), toplotne mostove i toplitne ploče (u nehernetizovanim arhitekturama).
Radijatori na spejs šatlovima. Većina radijatora kosmičkih letilica izračuju od 100 do 350 W toplote koju stvara elektronika po kvadratnom metru.
Radijatori na rasklapanja na ISS. Tako rotiraju da uvek budu paralelni sa Sunčevim zracima kako bi imali maksimalnu efikasnost hlađenja. Ofarbani su u visokoemitujuću belu boju, što znači da su tamni u infracrvenom spektru u kome se toplota emituje.
Na putničkim brodovima je potrebno osloboditi se mnogo toplote i održavati temperaturu u vrlo uskom rasponu – od 15 do 35°C. Ako radijatori ispadnu iz stroja, brod mora drastično da smanji potrošnju energije. Pored toga, na dugoročnim orbitnim stanicama svi kritični uređaji pre ili kasnije zahtevaju remont. Dakle, trebalo bi omogućiti isključivanje pojedinačnih jedinica i pojedinačnih delova cevovoda radi ispuštanja i zamene rashladnog fluida. Složenost sistema za regulaciju temperature strahovito raste zbog prisutnosti mnogih različitih ali uzejamno povezanih modula. Danas svaki ISS-ov modul ima vlastiti sistem toplotne regulacije, a veliki radijatori stanice, postavljeni na glavnoj rešetci normalno na solarne panele, koriste se za radove 'pod velikim opterećenjem' tokom naučnih eksperimenata s velikom potrošnjom energije.
Podrška i zaštita
Govoreći o mnogobrojnim sistemima jednog kosmičkog aparata, često zaboravljamo na korpus (nekad ga nazivaju i 'bus') u kojem se sve to nalazi. Korpus takođe preuzima na sebe opterećenje prilikom lansiranja, zadržava vazduh, pruža zaštitu od meteorskih čestica i kozmičkog zračenja itd. Sve konstrukcije korpusa podeljene su u dve velike grupe – hermetičke i nehermetičke. Prvi sateliti su bili pravljeni hermetički kako bi se opremi omogućili radni uslovi bliski zemaljskim. Njihovi korpusi su obično imali oblik obrtnih tela: cilindrična, kupasta, sferna, ili njihove kombinacije. Ovaj oblik se kod letilica s posadama čuva i danas.
Pojavom opreme i instrumenata koji su otporni na vakuum, počele su se koristiti nehermetične konstrukcije, značajno smanjujući težinu čitavog aparata i omogućavajući fleksibilnije komponovanje opreme. Osnova konstrukcije je prostorni ram ili rešetka, često izrađeni od kompozitnih materijala. Oni se zatvaraju 'saćastim pločama' – troslojnim ravnim konstrukcijama od dva sloja ugljeničnih vlakana i aluminijskog saća kao ispune. Takve ploče s malom masom imaju vrlo visoku krutost. Na ram i ploče su pričvršćeni elementi sistema, instrumenti i ostala prateća oprema.
Osmougaoni korpus ('bus') kosmičkog teleskopa 'Spitzer' u kome se nalaze naučni instrumenti, avionika i elektronika. Korpus obezbeđuje struju, orijentaciju i stabilizaciju teleskopu, prikuplja i komprimuje podatke radi kasnijeg slanja, izvršava komande za aktivnosti instrumenata i obavlja komunikaciju sa Zemljom.
Da bi se smanjili troškovi kosmičkih aparata, oni se sve više grade na bazi univerzalnih platformi. Po pravilu, one predstavljaju servisni modul koji kombinuje sisteme napajanja i upravljanja, kao i pogonski sistem. Na takvu platformu montiraj modul sa određenom aparaturom – i satelit je spreman. Američki i zapadnoevropski telekomunikacioni sateliti izgrađeni su na samo nekoliko takvih platformi. Obećavajuće ruske međuplanetarne sonde – 'Fobos-grunt', 'Luna-glob' – stvorene su na osnovu platforme 'Navigator', razvijene u NPO 'Lavočkin'.
Laka satelitska platforma 'Navigator'. Od 2003. može da se lansira raketama 'Sojuz', 'Zenit' i 'Proton-M'.
Čak i aparat sastavljen na nehermetičnoj platformi retko izgleda 'go', već je pokriven višeslojnom antimeteorskom i antiradijacionom zaštitom. Prvi sloj prilikom sudara dovodi do isparavanja meteorskih čestica, a ostali raspršuju protok gasova. Naravno, takve pokrivke verovatno neće spasiti od retkih meteorita promera santimetra, ali zaštita je prilično efikasna od brojnih čestica veličine do milimetra, čiji su tragovi vidljivi, naprimer, na prozorima ISS-a. Od kosmičke radijacije – snažnog zračenja i strujanja naelektrisanih čestica –zaštitna obloga se bazira na polimerima. Međutim, elektronika je zaštićena od zračenja na druge načine. Najčešća je upotreba integrisanih kola (čipova) otpornih na zračenje na safirnoj podlozi. Međutim, stepen integracije tih čipova je mnogo manji nego kod uobičajenih procesora i memorije stonih računara. Prema tome, parametri takve elektronike nisu posebno visoki. Naprimer, mikroprocesor 'Mongoose-V' koji kontroliše let sonde 'New Horizons' ima frekvencu[4] od samo 12 MHz, dok desktopi već dugo rade u gigahercima.
Mikroprocesori u kosmičkim misijama su posebno 'ojačani' radi zaštite od kosmičkog zračenja.
SPAJANJE U ORBITI
Najmoćnije rakete su sposobne da podignu u orbitu oko 100 tona tereta. Veće i fleksibilnije kosmičke konstrukcije nastaju kombinovanjem nezavisno lansiranih modula, što znači da je potrebno rešiti težak zadatak 'povezivanja' kosmičkih letilica. Spajanja na velikim daljinama, kako ne bi gubili vreme, izvodi se najvećom mogućom brzinom. Amerikanci u potpunosti zavise od savesti 'Zemlje'. U ruskim programima, 'Zemlja' i brod, opremljeni kompleksom radarskih i optičkih sredstava za merenje parametara trajektorije, relativnog položaja i kretanja kosmičkih aparata, podjednako su zaslužni za približavanje. Zanimljivo je da su sovjetski stručnjaci pozajmili deo opreme sistema za približavanje ... od radarskih glava samonavođenih raketa klase 'vazduh-vazduh' i 'zemlja-vazduh'.
Aktivni deo sistema za spajanje kosmičkih brodova.
Pasivni deo sistema za spajanje kosmičkih brodova.
Na udaljenosti od približno jednog kilometra započinje faza navođenja radi pristajanja, a na 200 metara se ulazi u zonu ručnog upravljanja. Za povećanje pouzdanosti koristi se kombinacija automatskih i ručnih metoda približavanja. Samo spajanje se odvija brzinom od oko 30 cm/s: brže bi bilo opasno, a sporije dovodi u opasnost da brave priključnog mehanizma ne prorade. Prilikom pristajanja 'Sojuza', astronauti na ISS-u ne osećaju udar – njega amortizuje čitava prilično elastična konstrukcija kompleksa. Može se primetiti jedino podrhtavanje slike na videokameri. Ali kada se teški moduli kosmičke stanice spoje, čak i takvo sporo kretanje može biti opasno. Stoga se objekti međusobno približavaju minimalnom – gotovo nultom – brzinom, a zatim, nakon spajanja priključnih agregata, spoj se dovršava dodatnim pritiskom stvorenim uključivanjem trastera.
Po konstrukciji, priključni agregati se dele na aktivne ('muški'), pasivne ('ženski') i androgene('bespolne'). Aktivni spojni mehanizmi čvorovi za priključne instalacije instalirani su na uređajima koji manevriraju kada se približavaju objektu za priključivanje i izvode se prema shemi 'pin'. Pasivni čvorovi izrađeni su prema šemi 'konusa', u čijem se središtu nalazi otvor za spajanje sa 'pinom'. 'Pin', ulazeći u otvor pasivnog čvora, aktivira elemente spojenog mehanizma. Androgeni priključni agregati, kao što naziv kaže, jednako su dobri i za pasivne i za aktivne aparate. Prvi su put korišćeni na kosmičkim brodovima 'Sojuz-19' i 'Apollo' tokom istorijskog zajedničkog leta 1975. godine.
DIJAGNOZA NA DALJINU
Po pravilu, cilj svakog kosmičkog leta je primanje ili prenošenje informacija – naučnih, komercijalnih, vojnih. No, konstruktore letilica mnogo više brinu potpuno drugačiji podaci: o tome koliko dobro funkcionišu svi podsistemi, jesu li njihovi parametri unutar određenih granica, ima li kvarova, itd. Te informacije se nazivaju telemetrijske ili jednostavno – telemetrija. Ona je potrebna onima koji kontrolišu let kako bi pratili u kakvom je stanju dragoceni aparat, a od neprocenjive je vrednosti za konstruktore koji poboljšavaju kosmičku tehnologiju. Stotine senzora mere temperaturu, pritisak, opterećenje nosećih konstrukcija broda, fluktuacije napona u njegovoj električnoj mreži, stanje akumulatora, rezerve goriva i još mnogo toga. Tome treba dodati podatke akcelerometara i žiroskopa, žirodina i, naravno, brojnih pokazatelja rada ciljne opreme – od naučnih instrumenata do sistema za održavanje života u letovima sa posadom.
Informacije dobijene od telemetrijskih senzora mogu da se prenose na Zemlju putem radio kanala u realnom vremenu ili kumulativno – u paketima u određenom ritmu. Međutim, moderni aparati su toliko složeni da nam čak i vrlo opsežne telemetrijske informacije često ne dopuštaju da razumemo šta se događa sa sondom. Takva je, naprimer, bila situacija s prvim kazahstanskim komunikacijskim satelitom, 'KazSatom', lansiranim 2006. godine. Nakon dve godine rada prestao je da funkcioniše i, iako je tim kontrolora i programera znao koji su sistemi radili nenormalno, pokušaji utvrđivanja tačnog uzroka kvara i vraćanja operativne sposobnosti aparata ostali su bez rezultata.
Primer telemetrije Nasinog tehnološkog satelita DSAC (Deep Space Atomic Clock) lansiranog juna 2019.
Posebno mesto u telemetriji zauzimaju informacije o radu brodskih računara. Oni su konstruisani tako da je moguće u potpunosti kontrolisati rad programa sa Zemlje. Postoje brojni slučajevi kada su se kritične softverske greške ispravljale u računarskim programima instaliranim u računare tokom trajanja misije reprogramiranjem preko komunikacionih kanala sa daljine. Modifikacija programa je takođe moguća ako se pojavi potreba da se 'zaobiđu' kvarovi i problemi sa instrumentima. U dugim misijama, novi softver može značajno da proširi mogućnosti aparata, kao što je učinjeno u leto 2007, kada je ažuriranje značajno ojačalo 'inteligenciju' rovera 'Spirit' i 'Opportunity'.[5]
Naravno, razmatrani sistemi su daleko od iscrpljivanja spiska kosmičkog inventara'. Van okvira ove priče, ostao je najkomplikovaniji kompleks sistema za održavanje života i brojne 'sitnice', naprimer, alati za rad u nultoj gravitaciji i još mnogo toga. Ali u kosmosu nema sitnica i u pravom letu ništa se ne može propustiti.
[1] Ovo je zapravo ruski izraz, ali koriste ga svi putnici na ISS (a ranije na stanicama 'Saljut' i 'Mir'). Orbitna stanica 'Mir' je imala ukupno 18 žirodina, a ISS ih ima ukupno 4. Amerikanci uređaj zovu žiroskop za kontroliu momenta, CMG (Control Moment Gyroscope). Sadrži rotor (može biti težak i 100 kg) i jedan ili više motorizovanih kardana. Ako se rotor naginje, promena ugaoonog momenta izaziva žiroskopski obrtni momenat koji okreće aparat.
[2] HST ima 6 žiroskopa, a za normalan rad je planirano da radi sa 3, mada može da se usmerava i sa 2 ili čak sa jednim, ali sa smanjenom površinom neba koji može da snimi. 2018. je napravljen plan za rad sa 1 žiroskopom ako se ostali pokvare. Inače, žiroskopi su deo sistema za kontrolu usmeravanja, koji koriste 5 vrsta senzora (magnetne , optičke i žiroskope) i 2 vrste aktuatora (reaktivne točkove i magnetne momente).
Od 2005. HST radi sa 2 žiroskopa (2 su bila u rezervi a 2 nisu radila). Sledeći se pokvario 2007. A onda su 2009. zamenjeni svi žiroskopi, od kojih danas rade samo 3. 2018. se pokvario još jedan od onih starijih.
[3] Posle 14 godina leta, snaga RTG-a je pala na ~195 W.
[4] To se zove CPU clock speed, ili clock rate, i meri se u hercima. Ta brzina meri koliko ciklusa CPU može da izvede u sekundi. Npr, CPU brzine od recimo 1,8 GHz može da izvede 1.800.000.000 ciklusa u sekundi.
[5] Ko god je čitao moje knjige o međuplanetnim misijama, setiće se da je to standardna šema rada, jer niko nije mogao da zna kako će teći misije 'Voyagera' i programirati ih unapred, već su to neprestano apdejtovali i podešavali prema uvek novim zatečenim situacijama. Isti slučaj je bio i sa 'New Horitonsom', kada su njegoni instrumenti softverski prepravljani za posetu Ultima Thuli, jer su bili projektovani za snimanje i merenje Plutonovog sistema a ne malog i tamnog asteroida u dibinama Kajperovog pojasa.
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
