Leszállás egy üstökösre

2016\02\28

Üdvözlöm a kedves látogatókat!

Ez az oldal a Magyar Asztronautikai Társaság „A Marson messze túl” elnevezésű diákpályázatának keretében jött létre. Ez Jandó Dániel pályaműve. Választott témám pedig:

Leszállás egy igen változatos felszínű és gyenge gravitációjú égitest felszínére.

Bár elsősorban a MANT pályaműveket elbíráló bizottsága számára készült, szívesen ajánlom minden érdeklődő figyelmébe!

2016\02\28

Mit küldjünk és hogyan?

 Űrszondánk feladata az, hogy egy leszállóegységet juttasson egy Nap körüli pályán keringő kisbolygószerű objektumra. Célszerű, hogyha az eszközt két részből állítjuk össze. Ezek közül az egyik a keringőegység (KE), ami az égitest körüli pályára állva figyeli meg azt. A másik – és egyben munkám fő témája a leszállóegység (LE). Ennek feladata a felszín részletes vizsgálata, talajminta vétele, és elemzése. A két komponens rádión keresztül kommunikál, így az LE-ről az adatok előbb a KE-re, majd azon át a Földre jutnak.

dia1_4.JPG

 

Ahhoz, hogy célját elérje, a szonda mellett szükségünk lesz egy megfelelő hordozórakétára. Ez utóbbinak képesnek kell lenni az űreszközt a célobjektum Nap körüli keringési sebességére felgyorsítani. Így az eszköz a célobjektuméval megegyező pályára állítható. Hogy ehhez mekkora tolóerő kell, az nyilván függ a szonda tömegétől. De a közelmúltban véget ért Rosetta-küldetés részleteit ismerve a célnak megfelelhet az Arianespace Ariane-5 nehézrakétájának G+ változata.

ariane-5_spaceplex_com.jpg

Ariane-5 rakéta indítása

Keringőegység Leszállóegység Hordozórakéta Ariane-5 G+

2016\02\28

Hol landoljunk?

Miután az összekapcsolt űreszközök elérték, és pályára álltak a kiszemelt égitest körül, elsőként pontosan fel kell azt térképezni. Ez alapján eldönthetjük, pontosan hova irányítsuk az LE-t. Ha a szonda átküldte a Földre a felszínről készült képeket, akkor a kutatócsoport megkezdheti a leszállóhely kiválasztását.

Mivel a célobjektum valószínűleg távol tartózkodna a Földtől, az egységnek automatikusan kell majd leszállnia a hosszú oda-vissza kommunikációs idő miatt. Ezért célszerű olyan helyet választani, amelyik sík, és nincsenek rajta nagy sziklák, aminek az LE nekiütközhet. Emellett természetesen tudományosan érdekes helynek kell lennie. Ha a célpont egy üstökös, akkor fontos, hogy a leszállóhely talaja viszonylag kevés vízjeget tartalmazzon, vagy ne nyilvánvaló gejzírszerű porkiáramlási hely legyen. Így kisebb a veszélye, hogy a Nap közelébe érve a jég szublimációja során keletkező anyagkitörés elsodorja az LE-t.

felszin.jpg
A 67P/Churyumov-Gerasimenko üstökös felszíne. Jól illusztrálja, milyen nehéz is leszállni egy hasonló égitesten.

 

A leszállóhely talajának azonban más feltételeknek is meg kell felelnie. Többek között viszonylag puhának, és kevésbé tömörnek kell lennie, hogy az LE-t könnyebb legyen rögzíteni pl. egy szigonnyal.

Mindazonáltal az is szükséges, hogy ne legyenek magas, árnyékot tartó hegyek a közelben. Így, amennyiben napelemes szondáról van szó, egy helyi nap alatt elegendő ideig kaphatnak fényt a napelemek.

 

 

Felszín Talaj Leszállóegység

2016\02\28

A landolás megkezdése

Miután az űrszonda megérkezett, és már a leszállóhelyet is kiválasztottuk, bele is vághatunk a leszállásba. (A leérkezés nehézségeiről a későbbiekben lesz szó!) Ehhez úgy kell módosítani a KE pályáját, hogy az éppen áthaladjon a leszállóhely felett. Jóval (akár több keringéssel) azelőtt, hogy a kijelölt pont fölé ért, az LE lecsatlakozik a KE-ről, majd pár méter távolságra löki magát tőle.

Ha ez megvolt, akkor a főhajtóművét a keringéssel ellentétes irányba fordítja. Ennek meghatározott idejű járatásával fogja magát lefékezni, hogy a pályáról letérve szabadon esve közelíthesse meg a célterületet. A folyamatos fékezéssel a sebesség és a pályamagasság fokozatosan fog csökkenni. Ennek eredmény az, hogy az LE ún. ballisztikus íven fogja megközelíteni a célterületet.

 dia1_3.JPG

A leszállás megkezdésének fázisai

A fékezés folyamata:

-1. Az LE lecsatlakozik a KE-ről.

-2. Az LE megfelelő irányba fordul a fékezéshez.

-3. Begyújtja a fékezőhajtóművet, és a pályamagasság csökkenni kezd.

A keringési sebesség, az LE tömege, és keringési magasság ismeretében pontosan kiszámítható, hogy a leszállási ponttól milyen távolságra kell begyújtani a hajtóművet. Miután az eszköz elérte ezt a pontot, és a fékezést megkezdte, még egy fontos feladatot kell végrehajtania. Ez az ún. leszállási orientáció. Ennek lényege, hogy a konkrét landolás előtt, az LE leszálló talpai a felszín felé fordulnak. Így előkészítve a landolást.

orientacio.jpg

Negyedik lépés: a leszállási orientáció.

Miközben az LE a ballisztikus íven halad, folyamatosan fékeznünk kell a zuhanását. Ugyanis ha kiszámoljuk (a 67P/Churyumov-Gerasimenko üstökös adataiból, és a körülötte keringő Rosetta anyaszonda pályamagasságából kiindulva) mekkora lesz az LE sebessége a leérkezés pillanatában, (m*g*h=1/2m*v2) ami ≈28 km/h, akkor láthatjuk, hogy ez túl sok. Leérkezéskor nem elég, hogy az LE visszapattan, talán még össze is törik.

Mivel a sebesség, amiről le kell fékeznünk, nem túl nagy, elegendő lehet a lejjebb bemutatott manőverező fúvókák tolóereje.

Ezután, a magasság csökkenésével, folyamatosan pontosítani kell az LE helyzetét. Erre a célra manőverező fúvókákat kell elhelyezni az LE oldalán. Ezek üzemanyaga lehetne sűrített nitrogén, akárcsak a NASA által kifejlesztett MMU nevű rakétaszék esetében. Így nem kellene attól tartani, hogy a forró, fúvókákon kiáramló égéstermék kárt tesz a szondában. Egyszerűen csak egy kicsit fel kell melegíteni a folyékony nitrogént, így a megnövekedett térfogatú, kiáramló gáz meghajtja az LE-t.

mmu.jpg


Bruce McCandless, az STS-41 küldetés során végrehajtott űrsétán teszteli a fent említett MMU-t.

Ezeket a fúvókákat úgy kell elhelyezni az LE oldalán, hogy a hatásvonaluk pontosan a szonda tömegközéppontján menjen át. Ezen kívül, szintén erre a pontra középpontosan szimmetrikusan kell állniuk, így biztosítva, hogy minden irányba egyformán elmozdítható legyen. Ellenkező esetben az LE forgása vagy elmozdulása megállíthatatlan lesz.

 

 

Fékezés Orientáció Manőverezés Fúvóka Leszállóegység Ballisztikus ív

2016\02\28

A landolás

Egy űreszköz leszállását egy égitesten soha nem könnyű feladat megtervezni. Jelen esetben tovább bonyolítja a helyzetet, hogy a fiktív üstökös, vagy kisbolygó, amin a műveletet végre kell hajtanunk, igen gyenge gravitációs mezővel rendelkezik. Így magától értetődő dolog, hogy a leszállóegységet rögzítenünk kell, nehogy előfordulhasson az az eset, hogy pl. egy talajminta-vétel alkalmával az eszköz kilökődjön a világűrbe.

Kézenfekvő megoldásnak tűnhet ólomsúlyokkal nehezebbé tenni az egységet. Kis gondolkodás után azonban bárki rájöhet: a súlyok tömege igen nagy kell, hogy legyen, így ha fel akarjuk gyorsítani a szondát a második kozmikus sebességre (11,19 km/s) hatalmas rakétára lesz szükségünk. Ez - lássuk be- nem a leggazdaságosabb megoldás. Sokkal inkább megfelel a célnak, ha egy, vagy akár több szigonyt lőnénk bele a felszínbe.

Ez(ek) rögzítené(k) a szondát a „megcsáklyázott” égitesthez. Ehhez a szigonyt a leszállóegység talp felőli oldalán, vagy magán a talpon kellene elhelyezni. De a szigony kilövése nem is olyan egyszerű feladat, mivel közbeszól Newton 3. törvénye. Eszerint:

Két test kölcsönhatása során mindkét testre azonos nagyságú, azonos hatásvonalú és egymással ellentétes irányú erő hat.

Ebből kifolyólag a szigony kilövésekor a szonda az ellenkező irányba indul el, így talán soha nem tud majd leszállni. Ezért az egység ellentétes oldalán egy kis rakétamotort kell elhelyezni, ami a művelet során ugyanakkora erővel hajtja meg az LE-t a felszín felé.

Itt meg kell jegyeznünk, hogy a szigony kilövése sem egyszerű feladat. Ehhez nyílván rakétás gyorsításra lesz szükség, de nem mindegy milyen üzemanyaggal. Ha itt is a Rosetta-küldetés tapasztalataiból indulunk ki, semmiképpen sem a Nitrocellulóz nevű anyagot választjuk. És hogy miért nem? Mert ez az anyag nem megbízható a világűrben uralkodó rideg körülmények közt. Ez okozta a Philae leszállóegység vesztét is.

Ha nem akarjuk, hogy ez történjen, inkább egy folyékony oxigén-folyékony hidrogén üzemanyagú rakétafokozattal kell felszerelnünk a szigonyt. Azért, hogy a belőle kiáramló forró égéstermék ne tegyen kárt az LE-ben, egy rugóval ki kellene lökni a szondából, és csak pár méter távolságra kellene azt begyújtani.

Miután pár méteres magasságból a felszínbe lett lőve a szigony, egy azt az LE-hez rögzítő kábel végén lévő csörlő lép működésbe. Ez szép lassan a felszínre húzza az egységet. Így az már elvégezheti feladatát. De mi történik, ha a szigony visszapattan a felszínről? Erre az esetre egy gyorsulás mérővel kellene felszerelni, ami érzékeli a visszapattanást, vagy a teljes megállást. Ez alapján az LE számítógépe eldöntheti, hogy leválassza-e a szigonyt, (nehogy a sodródó eszköz elrántsa az LE-t) vagy sikeres rögzítés esetében hagyja, ahogy van.

A Leszállás folyamata röviden:

 dia1.JPG

A korábban látott fékezési és irányba állási folyamat folytatása.

 

-1. Az LE lecsatlakozik a KE-ről.

-2. Az LE megfelelő irányba fordul a fékezéshez.

-3. Begyújtja a fékezőhajtóművet, és a pályamagasság csökkenni kezd.

-4. Leszállási orientáció.

-5. Az LE pár méteres magasságban teljesen megállítja magát, közben ellent tartva kilövi a szigonyt, és kinyitja az eddig összecsukott állapotban lévő rugalmas leszállólábakat.

-6. A csörlő elkezdi felcsévélni a kábelt, így a felszín felé húzva az LE-t.

Ha azt akarjuk, hogy a szigony biztosan megmaradjon a felszín alatt, és rögzítse a szondát, akkor érdemes ellátni további kisebb, oldalra nyíló kampóval. Ezek a felszín alatt „ugranának” ki a szigonyból, így megelőzve annak kicsúszását.

 

Az eddigi tervek alapján valahogy így vázolhatnánk fel az LE-t:

 dia1_2.JPG

 

 

 

Szigony Leszállóegység Rözítés

2016\02\28

A leérkezés pillanata

A leérkezés egyik legfontosabb része a felszín elérésének pillanata. Sok féle komplikáció léphet fel, például, hogy az LE egy meredek hegyoldalban ér talajt, így felborul, és egyik lába lebegve marad.

Ezt megelőzendő, az LE tetején lévő manőverező fúvókák rövid ideig történő járatásával kell az LE-t a talajhoz préselni.

De ezen kívül még más óvintézkedésekre is szükség van. Fontos, hogy a leszálló lábak végén egy „csuklós” talp legyen, így az sem jelent semmi problémát, ha a talaj egyenetlen.

013-apollo-11-as11-40-5918-landefuss-der-mondlandefaehre-o-staub.jpg

Ilyen talpat használtak az Apollo program holdkompjain is.

De talán a legfontosabb, hogy az LE-nek csak három lába legyen. Így nem fordulhat elő, hogy az egyik a levegőben marad, és pl. egy talajminta vételnél billegni kezd.

 

 

Landolás Talp Leszállóegység

2016\02\28

Energiaellátás

 Bár nem kapcsolódik szorosan a témához, de fontos megemlíteni, hogy a szonda honnan kapja az elektromos áramot. Jó megoldásnak tűnhet, hogy napelemekkel látjuk el, de ez mégsem megfelelő minden esetben. Ennek több oka is van. Egyrészt ha a keringés során távol került a naptól, akkor a napelemek már nem képesek elegendő energiát szolgáltatni. Másrészt (ismét csak a Rosetta-küldetés tapasztalataiból okulva) mi történik, ha az LE egy hiba vagy egy előre nem látható tényező miatt mindig vagy túlnyomórészt árnyékos területen ér talajt? Elképzelhető, hogy a teljes küldetés csődbe megy, mert az LE áram nélkül marad.

Erre a problémára nyújt megoldást az úgynevezett radioizotópos termoelektromos generátor (RTG). Több űreszköz is használt már ilyet, főleg a külső naprendszerbe indított szondák. Ilyen volt például közelmúltban a Plútót elért New Horizons, vagy a Szaturnuszt kutató Cassini. De ezen kívül a földön is használják katonai bázisok ellátására, főleg Szibériában és Alaszkában.

 generator.jpg


A Cassini űrszonda RTG-je.

Az RTG működésének lényege, hogy a benne elhelyezett hasadóanyagok (általában plutónium) bomlása során keletkező hőt alakítja elektromos energiává. A benne lévő anyag felezési idejétől függ, hogy milyen hosszú ideg, és hogy hány watt teljesítményt tud leadni. Egyes változatok akár 10 kW-t is képesek, és több száz évig működnek.

A keletkező hőenergia elektromos energiává való átalakításának több módja is van. Az egyik ilyen megoldás az úgynevezett termoemisszió. Ennek során a keletkező hővel fémet kell felmelegíteni. Ez lesz a katód. Erről aztán elektronok lépnek ki az anód felé, így elektromos áram indul meg.

Ha egy ilyen generátort helyezünk el az LE fedélzetén, akkor már nem lesz gondunk jó ideig az energiával. A KE pedig használhatja a már jól bevált napelemeket, hiszen a keringési pályán semmi nem tarthat neki egyfolytában árnyékot.

Itt érdemes megemlíteni, hogy milyen előnyökkel jár, ha az LE több évtizeden át is működik. Például nyomon követhetjük az üstökös aktivitásának változását a naptávolság csökkenésével, vagy növekedésével, illetve láthatjuk, hogyan fogy az üstökös anyaga.

Jelenleg a NASA által készített RTG-khez használt anyag, a plutónium 238-as tömegszámú izotópja (Pu-238), ami 87,7 éves felezési idejű. Ebből meg nem erősített források szerint kb. 30 kg áll a NASA rendelkezésre, de csak kb. 17 kg használható belőle űreszközökben. A többi régi, így már túl kevés Pu-238-at tartalmaz. De már elkezdték az anyag gyártásának újraindítását az USA-ban, így hamarosan elég nagy készletet halmozhatnak fel.

 

Energia RTG Generátor Elektromosság Pu-238 Plutónium Termoemisszió

2016\02\28

Felhasznált képek és irodalom

Mit küldjünk és hogyan?:

Kép: Spaceplex.com /Ariane 5 Launch Postponed (2010.3.26)

Hol landoljunk?:

-Kép: dlr.de /Comet Churyumov-Gerasimenko – pitch black and full of contrasts (2015.1.22.)

A landolás megkezdése:

-Kép: airandspace.si.edu/ Bruce McCandless and the Manned Maneuvering Unit (MMU)

A leérkezés pillanata:

-Kép: http://www.hist-chron.com/ 22. Excellent "moon photos" without moon photographer - photo compositions "on the moon"

Energia ellátás:

-Kép: wikipedia.org/wiki/Radioizotopowy_generator_termoelektryczny

- Almár-Both-Horváth-Szabó: Űrtan Springer Hungarica kiadó 1996/89.oldal/ Nukleáris áramforrások

-Urvilag.hu/Plutónium-238 (2016.01.08.)

 

Képek: Spaceplex.com, airandspace.si.edu, dlr.de

Tartalom: Urvilag.hu, Almár-Both-Horváth-Szabó: Űrtan