יום רביעי, 1 באוגוסט 2012

צלילה לאטמוספירה של מאדים

רשומה זו היא השניה במספר, בסדרה שאני כותב לקראת הנחיתה של קיוריוסיטי על מאדים (לרשומה הקודמת). הנחיתה תתרחש בבוקר ה- 6 באוגוסט, וזה הולך להיות מפגן היכולת הטכנולוגית הגדול ביותר בהיסטוריה של חקר החלל, בהנחה שיצליח כמובן.
ההימור שלי הוא להצלחת המשימה, למרות המורכבות הרבה של המבצע. אני נוטה לחשוב שבפרויקט שבו הושקעו 2.5 מיליארד דולר, בתקופה בה תקציב נאס"א מקוצץ והפגיעה העיקרית היא במחקר הפלנטרי, נעשו כל המאמצים כדי שלא יישאר מקום להפתעות שעלולות להחריב את המשימה. עם זאת, אין דבר כזה הימור בטוח.
קיוריוסיטי. תמונת אילוסטרציה.
קטע המשימה מהכניסה לאטמוספירה ועד הנחיתה הוא השלב המסובך והמסוכן ביותר במהלך המשימה. החללית משנה את צורתה ואופן פעולתה מספר פעמים עד שהיא מגיעה לקרקע, מבצעת לראשונה תרגילים שבשום אופן לא ניתן לנסות אותם על פני כדור הארץ למעט בהדמיות ממוחשבות, תלויה במספר רב של רכיבים מכניים ואלקטרוניים ומנוהלת על ידי תוכנה בעלת אינספור שורות קוד. מה כבר יכול להשתבש?!

MSL (Mars Science Laboratory, הנושאת את הרובר קיוריוסיטי) שוגרה ב- 28 בנובמבר 2011 על גבי משגר אטלס, והתחילה מסע בין 254 ימים לכיוון מאדים. למעשה, המסלול המקורי היה מביא אותה לפספס את מאדים ב- 40,000 קילומטרים בערך, ואת הפער הזה צמצמו רק בחודשים האחרונים. זאת כדי שבמקרה של תקלה חמורה לא תתרסק החללית אלא תמשיך לנוע במסלול סביב השמש.
כעת נעה החללית במסלול שיביא אותה לכניסה לאטמוספירה העליונה של מאדים ובימים הקרובים היא תבצע מספר תיקונים נוספים שיכוונו במדוייק את מיקום וזווית הכניסה כדי שתגיע היישר אל יעד הנחיתה. החללית מיוצבת באמצעות סחרור איטי, ומופעלת בחשמל שמיוצר על ידי התאים הסולריים שעל גב שלב השיוט.
MSL עם שלב השיוט המכוסה תאים סולריים
בחמשת הימים שלפני הכניסה לאטמוספירה יתחיל רצף פעילויות לקראת הנחיתה, שיכלול התחלת חימום של רכיבים מסויימים וטעינת פרמטרים לתוכנה האוטונומית של החללית, למשל פרמטרים של המיקום המדוייק שלה, או התנאים האטמוספריים באזור הנחיתה (כפי שנצפים על ידי המקפת MRO). פרמטרים אלו יסייעו לתוכנה לנהל את מהלך הנחיתה באופן מיטבי.

תקרת האטמוספירה איננה מיקום ברור. השכבה העליונה נעשית דלילה יותר ויותר ככל שמתרחקים מהקרקע, ולצורך מעשי מסתיימת בגובה של כ- 125 קילומטרים. החללית לא נכנסת לאטמוספירה מעל אתר הנחיתה, אלא נכנסת בזווית קהה במרחק של מעל 600 קילומטרים מהיעד. MSL חודרת לאטמוספירה במהירות מסחררת של כשישה קילומטרים בשניה, והמשימה שלה היא לבלום את המהירות הזו כדי להנחית את הרכב הרובוטי בעדינות רבה, וכמובן במיקום הנכון במדוייק.

האקשן מתחיל עשר דקות לפני הפגיעה באטמוספירה. מספר מנגנונים פירוטכניים מתפוצצים ומשליכים מעליה את שלב השיוט. MSL נותרת בנפילה חופשית מעל מאדים.

השלכת שלב השיוט
MSL מורכבת משני חצאים חיצוניים, מגן החום, שבנוי בצורת חרוט רחב, והמעטפת האחורית (Back shell). החללית ממתינה דקה אחת להתרחקות שלב השיוט, ומפעילה את מנועי ההידרזין שעל המעטפת האחורית כדי להפסיק את הסחרור, וכדי לכוון את מגן החום קדימה, לכיוון התנועה של החללית ולקראת המפגש עם האטמוספירה.
חמש דקות לפני הכניסה לאטמוספירה מתבצעת פעולה מעניינת. שתי משקולות טונגסטן השוקלות כל אחת 75 קילוגרם, מושלכות מצידה האחורי של החללית, ובכך גורמות למרכז הכובד שלה לזוז קדימה. פעולה זו תגרום לחללית לקבל יציבות אווירודינמית, ולמעשה לייצר כוח עילוי מסויים. הג'יירוסקופים והמנועים הרקטיים של החללית יאפשרו לבקֶר ולשלוט בכיוון שלה, ולשמור אותה בנתיב הנכון. בשלב זה ניתן יהיה לקזז את רוב ההפרעות הלא צפויות שעלולות להיגרם משינויים בצפיפות האטמוספירה ומרוחות.
את הכניסה המבוקרת והמיוצבת לאטמוספירה של מאדים ניתן להשוות לכניסה הבליסטית של הרוברים הקודמים, שלמעשה היו נתונים לאקראיות של התופעות האטמוספריות, וזו הסיבה העיקרית לכך שאזור הנחיתה שלהם היה גדול לאין שיעור מזה של קיוריוסיטי.
MSL שועטת לכיוון אתר הנחיתה
תוך כדי החיכוך באטמוספירה תאט החללית ל- 10% ממהירותה ההתחלתית. לשם כך עליה לשרוד תאוצה של מעל 10 ג'י, וטמפרטורה של מעל 2,000 מעלות צלזיוס, שאותה יחסום מגן החום.
בשלב הזה, מהירותה של MSL צפויה להיות כ- 2 מאך (פי- 2 ממהירות הקול), ובמהירות זו כבר אפשר לפרוש את המצנח הענק שתוכנן במיוחד למשימה זו.
לפני פרישת המצנח צריך "ליישר" את החללית כך שהמכ"ם שלה יפנה כלפי מטה ויוכל למדוד את הגובה והמהירות של החללית. ה"התיישרות" תתבצע על ידי השלכת שש משקולות טונגסטן בנות 25 קילוגרם כל אחת, היושבות באותו צד על היקף החללית. מרכז הכובד משנה שוב את מיקומו, והצד הכבד יותר יסתובב כלפי מטה.
מדהים בעיני ששוגרו לחלל 300 קילוגרם של טונגסטן שהתפקיד היחיד שלו הוא להיזרק החוצה. אבל פעם עשו את אותו הדבר עם שקי חול בכדורים פורחים, נכון? (מישהו יודע אם עדיין עושים את זה?)

במשך כל שלב הכניסה לאטמוספירה, תהיה MSL בקשר רדיו ישיר אל כדור הארץ, ואת השידור יקלטו ברשת החלל העמוק (Deep Space Network). מערך DSN כולל שלושה אתרי שידור וקליטה המצויידים באנטנות ענק (70 מטר) שמאפשרות תקשורת עם חלליות במרחק רב מאד. האתרים נמצאים בקליפורניה, בספרד ובאוסטרליה, ויחד מכסים את כל הכיוונים סביב כדור הארץ.

אנטנת 70 מטר בגולדסטון, קליפורניה
בנוסף לשידור הישיר, תשדר MSL גם שידור UHF לשלוש המקפות שסביב מאדים: אודיסיי, מארס-אקספרס, ו- MRO. כל השלוש יקליטו את השידור שיקבלו, אבל רק אודיסיי מסוגלת לשמש כממסר שמעביר את השידור בזמן אמת לכדור הארץ. MRO תעביר אותו לאחר מספר שעות ומארס-אקספרס תשמש כגיבוי בלבד.
המידע שהן תקבלנה הוא נתונים על החוויות שעוברת MSL, כמו טמפרטורה, לחץ, רעידות, ועוד מידע שיכול לסייע למשימות עתידיות למאדים.
שימו לב לכך שכשכתבתי זמן-אמת, התכוונתי שהשידור יהיה בזמן אמת, אבל הקליטה בכדור הארץ תתעכב, כי התשדורת צריכה לצלוח 248 מיליון קילומטרים. גלי הרדיו נעים במהירות האור, ולכן הזמן שיחלוף מרגע השידור ועד להגעתו לכדור הארץ הוא כמעט 14 דקות.
המשך הרפתקאות הנחיתה של קיוריוסיטי ברשומה הבאה.

לקריאה נוספת:

הרשומה הקודמת: כמה קשה לנחות על מאדים?
הרשומה הבאה: סיום שלב הנחיתה של קיוריוסיטי
מידע לעיתונות על תכנית MSL (קובץ PDF)
סיכומים מבלוג האגודה הפלנטרית
GET CURIOUS

_____________________________________

קרדיט לתמונות: NASA
סימולציה: האתר Eyes on the Solar System של NASA ו- JPL

10 תגובות:

  1. יופי של רשומה שמסכמת את המבצע ההנדסי המדהים הזה!
    וכן, כשכל גרם שעולה לחלל מחייב חישובים רבים והשקעה כספית רבה, זה באמת מדהים ש300 ק"ג עלו רק כדי להוות משקולות...
    אני רק מרגיש צורך להיות קטנוני ולהזכיר שמהירות הMSL לאחר ההאטה תהיה פי שניים ממהירות הקול *על פני כדה"א*.

    השבמחק
  2. טוב, גם שאלה, בעקבות קריאה של ההערות מהפוסט הקודם:
    יש לפחות שלוש מקפות, ושלושתן יהיו במיקום שמתאים לצלם את הנחיתה, משמע בקו ראייה מהנחתת. האם לא ניתן להשתמ בהן בשביל לבצע טריאנגולציה? או שהמיקום שלהם לא ידוע בדיוק מספיק גבוה בשביל זה?

    השבמחק
  3. האותות מתחילת שלב הנחיתה יגיעו לכדור הארץ 7 דקות לאחר שהנחיתה תושלם... אני מניח שבחדר הבקרה הרבה אנשים לא ינשמו... בשביל לצלם צריך גם מזל, ורואים משהו כמו זה..... קוריוסטי עצמה תצלם לאחר שמגן החום יפרד בקצב של 5 פריימים בשנייה. יהיה מענין
    http://phoenix.lpl.arizona.edu/images/hirise_parachute.jpg

    השבמחק
  4. עפר, מספר מאך הוא בהגדרה ביחס לתווך המקומי, כלומר, כשכתבתי שדרוש מאך 2 לפרישת המצנח, המשמעות היא פי-2 ממהירות הקול באטמוספירה של מאדים בגובה ובטמפרטורה שבה אמור להיפרש המצנח.
    לגבי המקפות, המיקום שלהן ידוע בדיוק טוב מאד, אבל MSL לא יכולה לסגור חוג בקרה עם המידע הזה משתי סיבות עיקריות:
    1. יכולת התמרון שלה מוגבלת. היא לא טסה אלא נופלת באופן מבוקר. ולכן הבקרה שלה היא בעיקר על קצב הירידה ושמירה על נתיב הגישה ליעד הנחיתה.
    2. יתכן שכתוצאה מהכתוב בסעיף 1, MSL רק משדרת בפרק הזמן הזה, ולא קולטת.

    השבמחק
  5. בהנחה שמדובר במאך הנכון למקום בו תהיה קוריוסיטי באותו רגע, מהי אותה מהירות 2 מאך ביחידות מטריות?

    השבמחק
  6. מאך הוא מספר חסר יחידות, אבל המהירות הצפויה בזמן פתיחת המצנח היא כ- 450 מטרים לשניה.

    השבמחק
  7. לפי זמני הגעת השידור. מאדים נמצא עכשיו בצד הנגדי של השמש?

    השבמחק
    תשובות
    1. בהתחשב בכך שמשגרים חלליות למאדים כשזה ייקח הכי פחות זמן, והמסע עכשיו מסתיים לאחר רק מספר חודשים, מאדים צריך להיות לא הכי קרוב אלינו אבל דיי קרוב. ואם אני לא טועה, כשהם בצדדים נגדיים של השמש, זמן השידור מגרד את ה-20 דקות אם הוא בכלל מגיע.

      מחק
  8. טוב, לא ברור לי מאיפה, אבל איכשהו ראיתי מול העיניים מספר לגבי המהירות והוא היה 2000 ק"מ לשעה, שזה פעמיים ממהירות הקול על פני כדה"א. לפעמים אני הוזה מספרים. זה הרבה פחות מענין מלהזות צבעים וריחות.
    לגבי הטראנגולציה, התכוונתי על הקרקע, לאחר הנחיתה, בשביל למקם את הנחתת. או שמסתמכים על הצילומים בשביל זה?

    השבמחק
  9. עפר, הצילומים של MRO מאפשרים דיוק הרבה יותר טוב מאשר טריאנגולציה.

    לגבי מיקום מאדים - רואים אותו בשמיים בשעות הערב, כך שהוא עדיין לא בצד הנגדי של השמש. אם אני זוכר נכון, במרץ-אפריל 2013 הוא "ייעלם" מאחורי השמש.

    השבמחק