Juraj Slačka - stuba.sk · 2016-12-02 · Juraj Slačka, Pavol Valko . Stručný obsah prednášky Hlavé súčasti družíc a kozických lodí Vesmír pre vzdelávanie, vzdelanie

Vesmír pre vzdelávanie, vzdelanie pre vesmír - motivačná fáza projektu

Space for Education, Education for Space ESA Contracta No. 4000117400/16/NL/NDe

Hlavné súčasti družíc a kozmických lodí

Juraj Slačka, Pavol Valko

Stručný obsah prednášky

Hlavné súčasti družíc a kozmických lodí Vesmír pre vzdelávanie, vzdelanie pre vesmír

2

1. Riadiace a orientačné systémy

2. Softvér

3. Komunikačné systémy

4. Zdroje energie

5. Pohonné systémy

6. Systémy podpory života

Navigačný počítač kozmických lodí Apollo Foto: NASA



3

• sú nevyhnutné na výpočet a riadenie všetkých zmien trajektórie letu –zvyčajne udržuje orientáciu

objektu aj dobu činnosti pohonných systémov

• typické použitie –na priblíženie a spojenie

kozmických lodí a staníc –pri brzdnom manévri záchytu

medziplanetárnych sond na obežnú dráhu

–pri pristávacom manévri kozmických lodí

Navigačné počítače



4

• Misia, ktorá dostala ľudí v roku 1969 prvý krát na Mesiac

• Využívané boli dva palubné navigačné počítače s rozdielnym softvérom pre lunárny a veliteľský modul

• Výkon palubného počítača bol približne 1300 krát nižší ako výkon Iphone 5.

• Palubný počítač mal hmotnosť približne 25kg

• Využíval jednoduché rozhranie nazvané DsKy

• Na výpočty polohy a trajektórie doňho astronauti zadávali údaje ktoré namerali cez sextant

Misia Apollo

Sextant používaný na určenie polohy a posádka Apolla 11. Foto: NASA



5

• slúžia hlavne na: –navigáciu pri lete

– riadenie subsystémov, hlavne riadenia spotreby energie, komunikácie a pohonných systémov

–získavajú vstupy od systému senzorov a riadiacich povelov

• základné charakteristiky: –prevádzková spoľahlivosť

–nízka spotreba energie

– redundancia a krížová kontrola

–čiastočná autonómnosť

Počítače družíc a kozmických lodí

Komerčný letový počítač pre CubeSat Foto:EnduroSat



6

Pamäte misie Apollo

• Pamäť typu core rope sa nazývala aj LOL (Little old lady)

• Jednalo sa o pamäť typu ROM

• Vysoko odolná voči radiácii

• Zaberala veľa priestoru a mala veľkú hmotnosť

Foto:NASA



7

• RAD 750:

–Jedná sa o 10 rokov starý model

–Cena jedného kusu približne 200.000 USD

• Parametre:

–Frekvencia 200 MHz

–128Mb Pamäte RAM

–2GB Pamäte FLASH

–Pracovné teploty -55 až 70C

Počítač roveru Curiosity

Počítač RAD750

Foto:NASA



8

Na riadenie ľubovoľného systému je nutné poznať jeho

aktuálny stav

• senzory orientačného a polohového systému –senzory hviezd

–senzory Slnka

–senzory horizontu

–Magnetometre

–Gyroskopy

–GPS (Galileo) senzory polohy

Hlavné senzory družíc a kozmických lodí

Foto: ESA



9

• senzory spolupracujúce so stabilizačným systémom

–gyroskopy (pasívne) • zvyčajne optické

• aj vibračné

• senzory spolupracujúce s pohonným systémom

–akcelerometre

–tepelné senzory

–tlakové senzory

–piezoelektrické senzory

Hlavné senzory družíc a kozmických lodí

Optický vláknový gyroskop Foto: SAAB

Presný akcelerometer Foto: Sherborne Sensors



10

• motorové –prvé používané, stále aktuálne –systém malých raketových

motorov

• gyroskopické –veľmi presné a energeticky

úsporné –nutnosť pre niektoré družice

(teleskopy HST, Kepler, . )

• magnetické –vhodné len pre malé družice

(CubeSat-y) v dostatočne silnom magnetickom poli (Zeme)

Stabilizačné systémy družíc a kozmických lodí

Foto: NASA

Foto: ISIS



11

• Na zmenu orientácie satelitu sa využíva magnetický moment

• Spoľahlivý systém, bez pohyblivých mechanických častí

• Často využívaný princíp pri malých satelitoch

• Nutnosť použiť nemagnetický materiál na konštrukciu satelitu

Stabilizácia magnetickými cievkami

Foto: CubeStar



12

• energeticky najvýhodnejšia aj najpresnejšia je stabilizácia vesmírnych objektov aktívnymi gyroskopmi

–gyroskopické stabilizačné systémy sa používajú v ohromnom rozpätí veľkosti • miniatúrne pre CubeSat-y

• stredné pre astronomické družice

• veľké pre ISS

Stabilizácia aktívnymi gyroskopmi

Foto: NASA



13

Stabilizácia motormi a tryskami

• primárny spôsob stabilizácie kozmických lodí a väčších družíc

• využívajú systémy malých raketových motorov

• organizovaných do skupín tak, aby vektor ťahovej sily každého z nich mal iný smer

• majú len malý ťah (relatívne), prípadne pracujú v impulznom režime

• nevyhnutné aj pre družice stabilizované gyroskopicky – na desaturáciu akumulovaného

momentu hybnosti rotujúcich zotrvačníkov

Detaily v časti „Pohonné systémy“ Foto: NASA Space X

Foto: Airbus Safran

2. Softvér

Názov prednášky Vesmír pre vzdelávanie, vzdelanie pre vesmír

14

• Vysoká efektivita, kvôli úspore energie

• Robustnosť a spoľahlivosť, ktorá je kritická a ohrozila alebo zmarila už viaceré misie

• Programátori musia dodržiavať prísne štandardy a pracovné postupy

Požiadavky

Margaret Hamilton Foto: NASA

2. Softvér


15

• Vykonáva príkazy zaslané zo Zeme

• Autonómnosť –využíva iba v nevyhnutných

prípadoch ako napr. pristátie na Marse, ináč systém vždy čaká na rozhodnutie operátora

• Ďalšie funkcie ako: –Riadenie procesov –Počítačové videnie –Spracovanie údajov z vedeckých

experimentov –Monitorovanie prevádzkových

parametrov

Funkcie

Foto: NASA

2. Softvér


16

• Prvé sondy boli jednoduché logické automaty bez operačných systémov a riadili sa jednoduchými sekvenciami príkazov (Voyager)

• Tento systém sa preukázal ako bezpečný a používa sa dodnes, avšak neexistuje jednotná norma príkazov, ktoré by sa používali globálne na všetkých misiách

• Spúšťanie príkazov v sekvencii neumožňuje vetvenie alebo riadenie toku programu, čo robí tento systém deterministický a ľahko predvídateľný

Spracovanie príkazov

2. Softvér


17

• Počas pristávania na mesiaci palubný počítač lunárneho modulu postupne zahlásil dve chyby – 1201 a 1202

• Tieto chyby znamenali že palubný počítač bol preťažený vstupnými údajmi

• Bez použitia primitívneho operačného systému by misia skončila neúspechom

Príklad chyby Apollo 11

Foto: NASA

2. Softvér


18

• Štandardne sa používajú operačné systémy reálneho času vhodné pre kritické aplikácie

• Vlastné mikro kernely

• Curiosity – VxWorks

• SpaceX – Linux

• Subsystémy bez OS ale s reálnym časom

Operačný systém

Centrálna časť palubnej dosky raketoplánov s displejmi výstupov palubných počítačov. Foto: NASA



19

• Použitie hlavne vysokoziskových smerových antén

• Spojenie zo Zeme na družicu a opačne (uplink a downlink) sú vždy rozdelené

• Potreba sledovať pozemskou anténou družicu pri pohybe na oblohe

• Bežne sa využívajú aj rádioamatérske pásma

• Niektoré malé družice vysielajú len v morzeovke

Všeobecne

Smerové antény veliteľského modulu Apollo nad Mesiacom

Foto: NASA Jednoduchý anténny systém CubeSatu Zdroj: Wikipedia



20

Komunikačné frekvencie

Zdroj: ESA (upravené)



21

• Problémom je latencia – Mesiac 1,3s

– Mars 8 minút

• Prenosové rýchlosti kolíšu v závislosti od šírky prenosového pásma

• Druhým problémom sú komunikačné okná

• Na zvýšenie kvality prenosu sa používajú samoopravné kódy

Vlastnosti



22

• Veľkú úlohu pri rádiovej komunikácii vo vesmíre zohráva softvér

• Jeho hlavné úlohy – Automatické natáčanie

komunikačných antén, prípadne ich prepínanie

– Komprimácia a kontrolné sumy

– Samo opravné kódy ako napríklad Reed Solomon

– Predbežné vyhodnocovanie odosielaných údajov

• Softvér sa využíva aj pri pozemských staniciach – Sledovanie polohy satelitu – Filtrácia signálu – Kontrola prijatých dát

Softvér

4. Zdroje energie


24

Najdôležitejšou formou energie pre činnosť kozmických aparátov je elektrická energia.

Prehľad

• fotovoltaické články – vhodné pre absolútnu väčšinu

misií vo vnútornej Slnečnej sústave

• palivové články a batérie (chemické zdroje) – batérie sú vhodné len pre krátkodobé použitie – kyslík-vodíkové články sa využívajú

pri vyšších energetických nárokoch krátkodobých misií

• termoelektrické články – z jadrovým zdrojom tepla sa využívajú

hlavne pri letoch k planétam za pásom asteroidov

• nové možnosti – iné formy konverzie energie

slnečného žiarenia

Malý fotovoltaický článok Foto:EnduroSat Žiariace plutónium Foto: DOE

4. Zdroje energie


26

Moderné „dáždnikové“ fotovoltaicke panely nákladnej lode Cygnus Foto: NASA/ATK

Fotovoltaické panely

4. Zdroje energie


27

Fotovoltaické panely ISS dokážu generovať až 120 kW elektrickej energie Foto: NASA

Fotovoltaické panely

4. Zdroje energie


28

• palivové články – výhradne vodíkovo-kyslíkové články

použité pri letoch kozmických lodí Apollo aj raketoplánov

• akumulátory – nikel hydridové (NiMH)

– lítium iónové a polymérové (Li-ion, Li-pol) Akumulátory samozrejme nie sú nikdy primárnymi zdrojmi a využívajú sa hlavne ako zásobníky elektrickej energie.

• batérie – ako zdroje na jedno použitie sa využívajú

len veľmi zriedkavo

Chemické zdroje a zásobníky energie

Vodíkovo-kyslíkový palivový článok využívaný pri misiách Apollo Foto: NASA

4. Zdroje energie


29

Chemické zdroje a zásobníky energie

Líthium iónové akumulátory pripravované na let k ISS v nákladovej časti lode HTV. Majú nahradiť súčasné NiMH akumulátory. Foto: NASA/JAXA

4. Zdroje energie


30

• Rádioizotopové termoelektrické články – Primárnym zdrojom energie je

rozpad rádioaktívnych prvkov generujúci teplo, až následne konvertované na termoelektrických článkoch na elektrinu

– Využívajú sa pri misiách ďaleko od Slnka (napr. sondy Pioneer, Voyager, Galileo, New Horizons, .. )

– Pri energeticky náročných misiách (napr. Curiosity rover)

• Skúmajú sa nové možnosti konverzie iných zdrojov energie na elektrickú (Stirlingov cyklus)

Termoelektrické zdroje

Tabletka oxidu plutónia 238 sa vlastným alfa rozpadom natoľko ohrieva, že viditeľne žiari. Foto: NASA/DOE

238 234 4

1/25.6MeV ( =87.7 rokov)Pu U He T

4. Zdroje energie


31

• Energeticky menej náročné misie, napr. umelé družice Marsu poskytujúce retranslačné služby pre prieskumné automaty na povrchu, si vystačia s fotovoltaickými zdrojmi energie.

• Pre výskum a pohyb po povrchu Marsu to nemusí stačiť.

• Menšie rovery (Spirit a Opportunity) využívajúce fotovoltaické panely, sú nútené počas zimy prerušiť prácu, zaujať polohu s čo možno najväčším slnečným svitom a získanú energiu používali na udržanie elektroniky v prevádzky-schopnom stave.

Pripravovaná „Mars 2020 mission“ predpokladá možnosť kombinácie oboch zdrojov energie. • Kombinovanie môže byť veľmi výhodné

hlavne z finančného hľadiska (príprava umelého izotopu 238Pu je veľmi drahá.

Termoelektrické články

Všetka potrebná energia pre Curiosity rover na Marse pochádza od 4.8 kg tabletky oxidu plutónia (238PuO2). Ide nielen o energiu, ktorá sa následne na termoelektrickom článku mení na elektrinu, ale aj o tepelnú energiu používanú na ohrev elektroniky v podmienkach studeného Marsu.

Foto: NASA/DOE



32

• na každej vesmírnej lodi rozoznávame dve podstatné časti –prístrojovú, nehermetickú časť

obsahujúcu pohonné jednotky a nádrže

–hermetickú časť pre posádku s podporou životných funkcií

• podobné delenie na základnú prístrojovú časť (bus system) a prístroje tvoriace užitočný náklad je typický aj pre väčšinu súčasných družíc –zmyslom je zjednodušenie

stavby, zvlášť komerčných, družíc

Pohonný systém ako časť prístrojovej časti družíc a kozmických lodí

Schéma modulárneho družicového systém triedy 1300 Zdroj: Loral Space Sys.

CAD schéma družicového systému Alphabus Zdroj: ESA



33

Hlavné požiadavky: • dlhodobá skladovateľnosť paliva

– vylučuje kryogénne palivá – pri projektovanej životnosti družíc aj vyše desať

rokov musí byť palivo aj chemicky stabilné

• možnosť mnohonásobného spustenia motora – korekcie obežných dráh, resp. priblíženie na

spojenie s orbitálnou stanicou, vyžaduje viacnásobné spustenie motora

Iné charakteristiky: • primeraný, nie príliš vysoký ani príliš nízky ťah

– pri vysokom ťahu by pri menších korekciách bolo nutné spúšťať motor na príliš krátku dobu (za ktorú motor nemusí dosiahnuť ustálený ťah)

– príliš malý ťah vyžaduje naopak dlhý beh motora, čo sťažuje výpočet korekcie, pretože sa už nedá považovať za impulz

– ak pohonný systém využíva rovnaký typ aj nádrž paliva ako stabilizačný systém (častá voľba), potom sa núdzovo dajú použiť slabé motory stabilizačného systému aj na väčšie korekcie dráhy (napr. Akatsuki)

• optimalizovaný na prevádzku vo vákuu – dýzy s väčším expanzným pomerom

Charakteristiky pohonného systému družíc a kozmických lodí

Obrázok kozmickej lode ATV s vyznačenou polohou stabilizačno-korekčných motorov s ťahom 200 N. Hlavné korekčné motory majú ťah 490 N.

Zdroj: Snecma/Safran)

Tieto požiadavky vo všeobecnosti spĺňajú nielen chemické, ale aj iónové motory.



34

Výhody • veľká zásoba skúsenosti z prevádzky a používania • dostupné v širokom rozsahu ťahov

Nevýhody • dlhodobé skladovanie silne korozívnych chemikálii • zložité armatúry (ventily a trubkové rozvody) vystavené vysokému tlaku

Založené na: • dvojzložkových palivách

– najčastejšou kombináciou je palivo na báze derivátov hydrazínu (monometylhydrazín, dymetylhydrazín, aerozín, ...) a okysličovadlom oxidom dusičitým (N2O4)

• jednozložkových palivách – energia potrebná na činnosť motora vzniká katalytickým rozkladom paliva, teda

nejedná sa o horenie v pravom slova zmysle – najjednoduchším podobným „palivom“ je koncentrovaný peroxid vodíka – najčastejšie sa takto používa čistý hydrazín (N2H4), ktorý sa katalyticky rozkladá

(katalyzátorom je irídium alebo iný podobný kov ) – v súčasnosti sa študujú menej toxické náhrady hydrazínu založené na tzv. iónových

kvapalinách. Typickým predstaviteľom je palivo označované ako AF-M315E založené na báze dusičňanu hydroxylamónneho (NH3-OH-NO3). K rozkladu dochádza teplom pri 285 oC, pripadne elektrolytickou inicializáciou.

Chemické pohonné systémy

Foto: Snecma/Safran)



35

Charakteristika: • dvojzložková zmes spoločná pre všetky motory systému – palivom je monometylhydrazín

– okysličovadlom oxid dusičitý

• tlakové podávanie zložiek do spaľovacích komôr • umiestnený v nepretlakovom servisnom module

Motory: • 4 hlavné motory s ťahom 490 N • 28 manévrovacích a stabilizačných motorov s ťahom 200 N • 8 titánových nádob na palivo a okysličovadlo s celkovou

kapacitou 7000 kg – časť z nich je vyčlenená na prepravu paliva a okysličovadla pre motory

modulu Zvezda (S5.80) ktoré vužívajú ako palivo nesymetrický dimetyl hydrazín. Palivo (spolu s vodou a zásobou vzduchu) sa po pripojení prečerpávalo na palubu ISS.

• 2 vysokotlaké nádoby na plynné hélium (uhlíkový kompozit)

Použitie: • priblíženie k vesmírnej stanici ISS po odpojení z rakety-nosiča Ariane 5 • automatické manévrovanie pri spojení z ISS (zo strany ruského segmentu) • počas pripojenia ATV vykonáva korekcie dráhy ISS (hmotnosť 183 ton) na

kompenzáciu poklesu jej výšky od brzdenia zvyškami atmosféry alebo pri uhýbaní sa vesmírnemu odpadu

• vzdialenie sa od vesmírnej stanice po jej opustení • brzdenie pri prechode na zostupovú dráhu

Príklad chemického pohonného systému - ATV

CAD schéma palivového a pohonného systému ATV. Zdroj: Snecma/Safran



36

Výhody: • vysoký špecifický impulz (10x väčší ako chemické palivá )

a tomu zodpovedajúca malá hmotnosť paliva (Xe) • dlhodobá životnosť pri zachovaní schopnosti

manévrovania ( 15 rokov) Nevýhody: • veľmi malý ťah • opakovane prelety Van Allenovými pásmi

Príklady použitia: • hlavne na prechod veľkých telekomunikačných družíc z

prechodovej dráhy na operačnú (typicky geostacionárnu) – napr. družicová platforma BSS-702SP (Boeing Satellite

Systems) využíva čisto elektrický pohon na prechod z GTO na GEO, udržiavanie polohy na GEO slote aj na desaturáciu aktívnych stabilizačných gyroskopov

• boli použité aj pri pohone sond v rámci Slnečnej sústavy (Hayabusa)

Príklad (XIPS-25, Xenon Ion Propulsion System) • špecifický impulz 3500 s • ťah 0,079 až 0,165 N • pri spotrebe elektrickej energie 1,3 až 4,5 kW • urýchľujúcom napätí 1215 V • prúde zväzku 1,43 až 3.01 mA

Iónové pohonné systémy

Iónove motory na sonde Hayabusa 2 Foto: JAXA/ Koumei Shibata



37

Poskytuje nám: • kyslík na dýchanie • vodu na pitie • potravu

Na prežitie v kozme preto tiež potrebujeme (na osobu a deň): • 0,9 kg kyslíka • 3,5 kg vody, z toho: – 1,6 kg na pitie – 1,2 kg v potrave – 0,7 kg na prípravu stravy

• 0,6 kg pevnej potravy

Celková hmotnosť vstupov je 5 kg.

Zem – naša kozmická megaloď

Zo životného priestoru kozmickej lode preto potrebujeme odstrániť: • 1 kg oxidu uhličitého • 3,9 kg vody, z toho: – 1,5 kg moč – 2,2 kg z potenia a dýchania – 0,2 kg v stolici

• 0,1 kg pevných látok

V zmysle zachovania hmotnosti sa hmotnosť vstupov rovná hmotnosti výstupov.

Práve systém podpory života, či už na orbitálnych staniciach alebo kozmických lodiach, musí zabezpečiť stálu dostupnosť vstupov a likvidáciu výstupov.



38

Všeobecne: • poskytovať kyslík pre ľudský

metabolizmus • poskytovať vodu na pitie, prípravu

stravy a telesnú hygienu • odstraňovať produkty metabolizmu

V hermetickom objeme kabíny: • odstraňovať oxid uhličitý • filtrovať prach a mikroorganizmy • odstraňovať prchavé organické plyny • monitorovať a regulovať parciálne

tlaky kyslíka, dusíka, oxidu uhličitého, metánu, vodných pár, atď.

• udržiavať celkový tlak v kabíne • udržiavať teplotu a vlhkosť • distribuovať vzduch do všetkých častí

(modulov) systému

Základné funkcie

Skafander pre výstup do otvoreného kozmu rovnako obsahuje zmenšenú a zjednodušenú, krátkodobú verziu systému pre podporu života. Foto: NASA



39

Nevyužívajú žiadnu recykláciu zdrojov • sú založené na skladovateľných

zdrojoch – vzduch v tlakových fľašiach – zásoby vody a potravín – odstraňovanie oxidu uhličitého

chemickým procesom použitím jednorazových náplní (kanistrov)

• likvidovaní výstupov – vypúšťanie mimo palubu – uskladňované na následnú

likvidáciu pri neriadenom zániku nákladných kozmických lodí v atmosfére

Krátkodobé systémy podpory života

2 2 3 22CO LiOH Li CO H O

Pravdepodobne najznámejší núdzový systém odstraňovania CO2 Foto: NASA



40

Nevyhnutne musia využívať recykláciu zdrojov

• v zmysle hmotnosti uvádzaných vstupov a výstupov je zjavné, že najdôležitejšia je recyklácia vody

• tesne spojená spojená s recykláciou kyslíka pri obnove atmosféry kabíny (hermetického priestoru)

Dlhodobé systémy podpory života

Prototyp systému Elektron na orbitálnej stanici Mir (1987) a modernejšia verzia na ISS Foto: FKA/RKA/NASA



41

Recyklácia zdrojov na ISS Ruský segment ISS: • Elektron • Vozduch

Americký segment ISS: • ECLSS



42

ECLSS – ISS (Node 3)

Environmental Control and Life Support System

Zdroj: NASA / Reference guide to the International Space Station NP-2015-05-022-JSC



43

• The Oxygen Generation System (OGS) – generuje kyslík podľa aktuálnej potreby

– v kontinuálnom režime činnosti vyrobí 2,3 až 9 kg kyslíka za deň. • metódou elektrolýzy vody

• Water Recovery System • panel 1 (WRS-1)

• panel 2 (WRS-2)

– spracujú 9 kg moču denne • nízkotlaká destilácia

– recyklujú až 70 % kvapalín (použitej vody a moču)

ECLSS detaily

Foto: NASA

Slnečná sústava skúmaná zblízka Vesmír pre vzdelávanie, vzdelanie pre vesmír

44

Prosíme o vyplnenie elektronického dotazníka na tejto adrese

Documents

Juraj Slačka - stuba.sk · 2016-12-02 · Juraj Slačka, Pavol Valko . Stručný obsah prednášky Hlavé súčasti družíc a kozických lodí Vesmír pre vzdelávanie, vzdelanie