Calatorie spre originile Universului la bordul celei mai recente misiuni spatiale europene
Joi, 14 mai 2009, Agenţia Spaţială Europeană va lansa cel mai important proiect spatial din ultimii ani, misiunea dublă Herschel-Planck. Este vorba de doi sateliti stiintifici care au costat impreuna 1.9 miliarde de euro si ale caror origini incep undeva cu 20 de ani in urma.
A fost un efort internaţional susţinut între ESA, NASA, Thales Alenia Space, Astrium Space, Danish Space Centre, Netherlands Institute for Space Research, Max Planck Istitute, Cardiff University, Saab Space etc. Din păcate, complexitatea extraordinară a proiectului a influenţat desfăşurarea ulterioară, conducând la amânări succesive faţă de data programată iniţial.
Lansarea se va efectua la bordul unei rachete Ariane5, versiunea ECA, singurul lansator comercial capabil sa ridice incarcatura totala de 6 tone compusa din 2 platforme diferite (satelitii impreuna cu echipamentul de integrare si protectie aferent). Aceasta lansare ce va purta numele Ariane188 va marca astfel cel de al 44-lea zbor efectuat de o racheta Ariane5. In lungime de 50.5m si cu o masa totala la desprinderea de la sol de 780 de tone, lansatorul face uz de 2 motoare MPS Europropulsion folosind combustibil solid cu o forta nominala dezvoltata de 5060kN (si un timp de reactie de 130secunde), o treapta cryogenica principala Vulcain2 Snecma cu o forta dezvoltata 1390kN (timp de ardere 540s) si o treapta cryogenica finala ESC-A Astrium Space Transportation propulsata de un motor HM-7B Snecma cu o forta dezvotata de 67kN si un timp de reactie de 945s.
In varful rachetei este integrata structura interna SYLDA incadrand cei doi sateliti (Herschel deasupra, Planck dedesubt) si structura de protectie termica pentru zbor dezvoltata de compania Oerlikon Space.
Conform secventei de zbor, la ora 13:12 UTC ArianeSpace va da semnalul pornirii motoarelor rachetei din complexul numarul 3 din Kourou Guiana Franceza, acolo unde se afla centrul de control al lansarii. La 7 secunde dupa pornirea motorului cryogenic principal cele doua boostere cu combustibil solid vor fi la randul lor pornite marcand desprinderea de sol. Racheta va urca vertical timp de aproximativ 6 secunde, apoi se va roti spre est continuand ascensiunea intr-un plan paralel cu cel ecuatorial si pastrand incidenta traiectoriei. In acest fel se face uz de viteza suplimentara imprimata de rotatia naturala a Pamantului si se minimizeaza incarcarea aerodinamica asupra rachetei in timpul traversarii atmosferei.
Dupa 2 minute si 18 secunde de la lansare cele doua boostere externe se vor desprinde de corpul rachetei, urmate la 4 minute si 3 secunde de desprinderea protectiei externe. Prima treapta se va opri din functionare la 8 minute si 55 de secunde la o altitudine de 214 km si o viteza relativa de 7.032km/s urmand sa se detaseze 6 secunde mai tarziu si sa cada inapoi pe Pamant in apropierea coastei africane a oceanului Atlantic (in golful Guinea).
Etajul superior va continua ascensiunea rachetei pana la T0+24.5 minute realizand o injectie in orbita la altitudinea de 852km si viteza relativa de 9.967km/s. Un minut si 29 de secunde mai tarziu va urma separarea satelitului Herschel la o altitudine de 1100km, iar 4 minute mai tarziu separarea lui Planck la o inaltime de 1700km.
Dupa aproximativ inca 10 min statiile de sol ale agentiei europene vor receptiona primele date ale satelitilor marcand astfel inceputul asa numitei faze operationale LEOP (Launch and Early Orbit Phase) si transferul operatiunilor catre centrul spatial european din Germania. In primele zile, pentru ambii sateliti vor urma manevre succesive de corectie orbitala cu ajutorul motoarelor de bord. Prin aceste actiuni in stadiul incipient al misiunilor se intentioneaza anularea perturbatiilor induse de rachetă la lansare şi minimizarea efortului (combustibilului consumat) pentru atingerea orbitei finale in jurul punctului lagrangian L2. Cea de a doua faza a misiunii care va urma este asa numita “commissioning phase”, atunci cand sistemele de baza ale satelitului sunt setate pentru functionare nominala şi satelitii vor incepe calatoria lor de aproximativ 2 luni catre destinatia finala. Ultima faza va fi cea operationala atunci cand satelitii parcati pe orbita lor normala vor incepe sa furnizeze primele date stiintifice.
Herschel va functiona pentru minim 3.5 ani, iar Planck va avea o durata de viata de minim 21 de luni, cele doua misiuni fiind construite pe o platforma tehnica comuna ce integreaza sistemele de baza care asigura functionarea instrumentatiei stiintifice de la bord. Analogia se opreste insa aici, cei doi sateliti fiind fundamentali diferiti atat ca investigatie stiintifica cat si ca operare, orbita etc.
Ambii vor orbita in jurul punctului Lagrange L2 al sistemului Soare-Pamant/Luna, Herschel pe o orbita inalta cu amplitudinea de 800.000km, iar Planck pe o orbita joasa cu amplitudinea de 400.000km. Punctul L2 descoperit in 1772 de matematicianul francez Louis Lagrange este un punct imaginar in spatiu localizat la 1.5 milioane km in spatele Pamantului pe linia ce uneste Terra de Soare si unde fortele de atractie gravitationala se anuleaza. Orbitele Lissajous in jurul punctului L2 au fost pentru prima data aplicate in practica o data cu lansarea misiunii WMAP a NASA care graviteaza si astazi L2. In trecut misiunile de acest gen (observatii in infrarosu) aveau de obicei orbite heliocentrice in jurul Pamantului dar acestea sufereau de interferente majore asupra instrumentelor stiintifice din cauza radiatiei terestre ceea ce insemna ca aveau perioade destul de mari de inactivitate (asemenea misiunilor mai vechi ISO, Most, Corot, Kepler, Spitzer etc). In contrast orbitele plasate in apropierea L2 asigura un mediu extrem de stabil important in special pentru investigatii cu privire la originile Universului - asa numitul „cold Universe“. Cu Pamantul si Soarele aflate intotdeauna in aceeasi directie, se poate obtine o protectie naturala fata de interferenta radiatiei luminoase in planul focal al telescopului. Temperaturile externe scazute din spatiul cosmic aduc de asemenea o contributie importanta la pastrarea echilibrului termic al echipamentului electronic. Pe masura ce Pamantul isi realizeaza traiectoria anuala in jurul Soarelui, punctul L2 (si implicit satelitii) se deplaseaza in spatiu acoperind 360 de grade in planul galactic.
Agentia europeana va folosi pe viitor intensiv acest tip de orbita pentru misiuni sale (de ex. Gaia si Darwin) la fel ca si agentia americana NASA pentru JWST (James Webb Space Telescope).
Pe langa avantajelor enumerate, exista totusi si dezavantaje ale orbitelor de acest fel: in principal ele sunt instabile, orice perturbatie fiind amplificata exponential. Ele trebuie de aceea permanent ajustate pentru mentinerea stabilitatii ceea ce aduce o presiune suplimentara pentru operarea unor astfel de sateliti.
Ce inseamna Herschel si Planck pentru domeniul spatial?
Inspirat de numele astronomului Frederick William Herschel (1738-1822), cel care a devenit celebru prin descoperirea lui Uranus, satelitul destinat studiului originilor si evolutiei stelelor si galaxiilor va purta in spatiu cel mai mare telescop Cassegrain utilizat vreodata in spatiu. Misiunea a fost aprobata in noiembrie 1993 sub numele de First ca parte a planului stiintific pe termen lung al ESA, devenind ulterior Herschel. Oglinda principala, cu un diametru de 3.5 m, va fi de 4 ori mai mare decat predecesoarele telescoape in infrarosu si de 1.5 ori mai mare decat cea a lui Hubble, reusind sa capteze de 12 ori mai multa radiatie luminoasa decat telescopul ISO, din a carui misiune a fost inspirit, sperandu-se ca va revolutiona domeniul observatiilor in infrarosu si va oferi comunitatii stiintifice internationale noi puncte de studiu pentru astrofizica fundamentala. Oglinda secundara va fi mult mai redusa in dimensiuni-aproximativ 0.3m diametru.
Prin observatii in banda 60-670 µm va completa masuratorile facute de celelalte observatoare astronomice cu privire la radiatia “rece” din Univers produsa de praful si gazul interstelar, stele reci, nuclei ai unor galaxii indepartate etc.
Detalii constructive si obiective stiintifice
Herschel este un satelit stabilizat pe trei axe cu un sistem de control al atitudinii complex format din 12 motoare alimentate cu hidrazina ce produc fiecare 20N, roti volante de control, camere stelare, giroscoape si senzori solari, pozitia in zbor fiind in permanenta mentinuta gratie calculatorului ACMS.
Sistemul de producere al energiei este alimentat de panouri solare cu celule Ga-As in tripla jonctiune in suprafata totala de 12m2 si producand minim 1450W. Energia este la randul ei inmagazinata in baterii Li-ion cu capacitatea de 39Ah.
Sistemul de comunicatie cu solul contine 3 antene si este capabil sa furnizeze datele stiintifice la o rata de aproximativ 130kbps.
Platforma de baza care asigura sistemele vitale pentru buna functionare a satelitului este completata de platforma stiintifica (asa numitul “payload module”), rezultand in final un satelit de 7.5m lungime, 4m diametru si 3.4 tone greutate la lansare.
Punctul central al acesteia este telescopul, care deserveste toate cele 3 instrumente de stiinta de la bord si a carui oglinda este alcatuita din 12 straturi de carbura de silicon (SiC) ce formeaza un bloc monolitic prelucrat cu foarte mare acuratete (rugozitatea nu trebuie sa depaseasca 0.001 mm).
Carbura de silicon are o duritate si rigiditate ce-l fac foarte potrivit pentru constructia oglinzilor utilizate in tehnologia spatiala. Materialul si tehnologia de prelucrare alese au reusit sa indeplineasca conditiile de stres vibrational impuse de lansare si au redus substantial masa pana la 315kg. Pe viitor singurul telescop care va intrece in marime oglinda lui Herschel va fi JWST (cu un diametru de aproximativ 6.5m), dar acesta va fi constituit din celule individuale grupate impreuna (prin urmare nu va fi un monobloc).
Cele trei instrumente de bord care vor folosi telescopul vor fi:
- Heterodyne Instrument for Herschel (HIFI)
- Herschel Photo-conductor Array Camera and Spectrometer (PACS)
- Herschel Spectral and Photometric Imaging Receiver (SPIRE)
Protectia termica si fata de radiatia luminoasa va fi realizata pasiv printr-un scut de protectie extern si activ printr-un sistem foarte complex de racire folosind un asa numit “cryostat” si coolerele aferente, totul bazat pe folosirea a circa 2300 de litri de Heliu lichid mentinut la temperatura de -271.15 grade Celsius.
Heliul superfluid se va evapora la o rata constanta golind gradual rezervorul, dar va asigura in acelasi timp o temperature constanta aproape de 0.3 Kelvin pentru perfecta functionare (fara perturbatii induse din exterior) a instrumentelor.
Cel de al doilea satelit a preluat numele fizicianului german Max Planck (1858-1947), una dintre cele mai proieminente figuri ale secolului trecut, laureat al premiului Nobel in 1918. Misiunea, numita initial Cobras/Samba (1994), a fost redenumita ulterior si proiectata ca o evolutie a satelitului american WMAP, urmand sa masoare ca si acesta anizotropiile din spatiul cosmic (asa numitul “cosmic microwave background”), dar la o rezolutie mult mai buna decat acesta. In acest fel, prin investigarea fluctuatiilor prezente in radiatia cosmica se va putea raspunde la unele din intrebarile fundamentale ale cosmologiei referitoare la Big Bang. Conform acestei teorii, Universul s-a creat in urma cu circa 13700 milioane de ani, atunci fiind intr-un stadiu mult mai dens si mai cald decat astazi (conform ultimelor modele avea 1000 milioane de grade Kelvin la 3 minute de la aparitia sa). In urma acestui proces de expansiune, temperatura Universului a scazut in mod constant pana sub valoarea de 10000K atunci cand s-a finalizat procesul de recombinare a ionilor - undeva la 380.000 de ani de la momentul T0, atunci cand se estimeaza ca Universul a atins o temperature medie de 3000K. Acesta este si momentul cand temperatura a permis luminii sa inceapa sa calatoreasca liber in mediul extern. Pana in zilele noastre, datorita continuei expansiuni, temperatura medie a acestei materii aflate in CMB a scazut substantial pana la valoarea de 2,7 K, ceea ce o face extreme de greu de detectat. Odata cu constatarea facuta de satelitul COBE si mai apoi WMAP cu privire la distributia neconstanta a temperaturii in spatiul extern s-a pus insa si problema constructiei unor instrumente mai performante care sa fie capabile sa detecteze pana si aceste mici variatii de temperature - iar Planck este rezultatul final al acestor cercetari. Va fi astfel posibil pentru prima data in istorie sa se efectueze o investigatie amanuntita asupra fenomenelor fizice ce au insotit momentul T0+380.000 ani. Planck va realiza masuratori la lungimi de unda de 1/10 ale radiatiei luminoase percepute de WMAP si la rezolutii unghiulare de 3 ori mai bune, rezultand o calitate de 15 ori mai buna a masuratorilor.
Aceste performante au un pret direct - satelitul este unul extrem de complex, ca si Herschel, cu dimensiunea de 4.2m lungime si 4.2m diametru si o masa totala la lansare de 1.95 tone.
Va fi o platforma stabilizata prin rotatie (1rpm) si va face uz de un sistem de 16 motoare: 12 mai mari furnizand 20N fiecare si 4 mai mici cu o forta de 1N fiecare. Tot sistemul va functiona folosind hidrazina drept combustibil. In tandem pentru determinarea orientarii in spatiu se vor folosi camere stelare si senzori solari.
Sistemul de producere a energiei va face uz de aceleasi celule solare Ga-As avand o suprafata totala de 13m2 si furnizand un minim de 1816W. Energia va fi inmagazinata in baterii Li-ion cu capacitatea de 39Ah.
Ca si in cazul lui Herschel, platforma de baza va sustine modulul stiintific (“payload module”) construit in jurul unui telescop in greutate de 205kg la care sunt conectate cele doua instrumente foarte sensibile:
-HFI (the high frequency instrument)
-LFI (the low frequency instrument)
al caror plan focal va fi racit pana la 0,1 Kelvin pentru a pastra rezolutia necesara masuratorilor. In acest fel se poate spune fara exagerare ca in interiorul satelitului vor fi unele din cele mai reci puncte din Univers. Cu atat mai semnificativ cu cat trebuie pastrat un echilibru intre aceste puncte reci si restul platformei a carui electronica are niste parametrii impusi pentru operare.
Cum radiatia CMB este de circa 1% din cea radiata de Pamant, telescopului i s-au impus conditii stricte de operare. El va fi protejat de un con de protectie (baffle) care va impiedica patrunderea directa a radiatiei luminoase (provenita fie de la Soare, Pamant sau Luna) in planul focal. Va fi compus dintr-o oglinda primara 1,9 x 1,5m si o oglinda secundara 1,1 x 1.0 m, ambele inclinate fata de axa principala a telescopului.
Cu investigatii in gama lungimilor de unda 350-10000µm si frecvente cuprinse intre 27-77Ghz (LFI) si 83-857 Ghz (HFI) Planck va realiza un numar impresionant de observatii care vor fi facute publice comunitatii stiintifice internationale.
Controlul satelitilor (operatiuni)
Dupa separare, controlul satelitilor este preluat de asa numita Mission Control Team (echipa de control a misiunii) de la Centrul European de Operatiuni Spatiale din Darmstadt, Germania. MCT este consituita din doua echipe de control al zborului (Flight Control Team), cate una pentru fiecare satelit, plus un numar de echipe de support, din care fac parte: Ground Operations, Software Support, Project Support si Flight Dynamics.
Ca o concluzie a acestui articol, Space Alliance va ofera cateva ganduri – ce raspund la intrebarea “Ce inseamna aceasta lansare pentru dumneavoastra?” - “in timp real” ale catorva ingineri romani direct implicati in acest proiect de anvergura al Agentiei Spatiale Europene:
Liviu Stefanov, inginer de operatiuni, Herschel-Planck, ESA/ESOC, Darmstadt, Germania:
"Inseamna incununarea catorva ani de munca sustinuta, cu multe zile lungi si week-end-uri petrecute in camere de control sau in fata monitorului ce afiseaza pagini de interminabile documente dintr-un urias pachet. Inseamna ore de concentrare maxima in linistea camerei principale de comanda in timpul numaratorii inverse, efectuand verificarile finale ale satelitului aflat pe rampa de lansare, in varful rachetei purtatoare. Inseamna emotia intensa din ultimele secunde dinaintea startului, asteptarea infrigurata a primului contact radio cu satelitul aflat deja la sute de kilometri departare si, nu in ultimul rand, sentimentul de forta pe care il simti cand acest obiect zburator raspunde la comenzile tale. Este inceputul
unei noi misiuni."
Aurelian Tomescu, inginer de operatiuni, Herschel-Planck, ESA/ESOC, Darmstadt, Germania:
“Inseamna implinirea unui vis, in care am investit ani de munca, sperante, sacrificii. Acum, cu cateva ore inainte de lansare, pare aproape ireal, nu-mi dau seama daca sunt emotionat sau daca traiesc intr-o lume paralela. Suntem cu totii atat de conectati si concentrati la ceea ce facem, incat a exprima limpede ceea ce simtim devine dificil. Dupa un efort intins pe atatia ani, in care familia, viata personala au trecut de multe ori pe plan secund, a fi in camera principala de control - privind numaratoarea inversa, consolele cu telemetria de la satelit, verificand si reverificand ca totul e in ordine - e apogeul unei aventuri care, in timpul facultatii, parea de neconceput.”
Gabriel Mihail, inginer de operatiuni, Herschel-Planck, ESA/ESOC, Darmstadt, Germania:
“Din punctul meu de vedere indiferent la cate lansari ai asistat inainte, tensiunea care se stabileste in preajma unui astfel de eveniment este aceeasi de fiecare data. Emotiile trec abia dupa lansare daca totul decurge cum trebuie si de cele mai multe ori realizezi acest lucru abia dupa ce camerele televiziunilor dispar din camera de control. Asa cum se spune in acest domeniu o zi buna este una ‘plictisitoare’ adica lipsita de evenimente si asta de fapt isi doreste intreaga echipa- sa functioneze totul dupa asteptari, fara nici un fel de surprize.
In plan personal inseamna 3 ani si jumatate investiti in acest proiect, cu multe momente de stres si foarte multe ore de munca. In lumina lansarii insa, toate acestea raman in urma si singurul lucru care conteaza si de care iti amintesti este privilegiul de a lua parte alaturi de aceasta echipa internationala la un proiect de asemenea anvergura si cu asemenea ambitii stiintifice. De fapt aceste masini complexe insumeaza toata tehnologia pe care omenirea a acumulat-o in mii de ani de evolutie si este fascinant sa te gandesti ca in cateva zile vor fi atat de departe in spatiu.”
credit ESA