FT: XXX. Voyager i promy

Im bardziej Puchatek zaglądał do środka, tym bardziej tam Prosiaczka nie było. Kubuś Puchatek, Alan Milne.

Tylko dwie rzeczy są nieskończone: wszechświat oraz ludzka głupota, choć nie jestem pewien co do tej pierwszej. Albert Einstein.

Wielkie ilości cennych danych z misji kosmicznej przesyłają na Ziemie identyczne sondy kosmiczne Voyager 1 i 2 wystrzelone we wrześniu 1977 roku. Sondy o wadze 825 kg ( a w tym 105 kg aparatury naukowej ) zostały wyniesione przez potężne czterostopniowe rakiety nośne Titan IIIE-Centaur ( rodzina rakiet ICBM ( Inter Continental Ballistic Missile) Titan jest de facto militarna ) z dodatkowym stopniem wspomagającym. W 1980 roku Voyager 2 zbliżył się do Saturna.

Niezawodność elementów i systemów sond zadecyduje o dalszym przebiegu pożytecznej misji. Okazuje się że nawet o planetach układu słonecznego wiedzieliśmy naprawdę niewiele.

Sondy Voyager przelatując koło planet mają zbadać skład ich atmosfery, jej gęstość, profil, temperaturę i cyrkulacje.

Mają ustalić rozmiary i kształt planet oraz ich masę oraz zebrać takie dane i parametry geologiczne o księżycach planet.

Mają badać pole magnetyczne w przestrzeni. Mają badać plazmę i cząstki naładowane na całej trasie lotu.

Jeśli sondy pozostaną sprawne opuszczając układ słoneczny będą po przekroczeniu heliosfery i heliopazuzy badać promieniowanie kosmiczne, wiatr słoneczny, emisje radiowe Słońca, ślady wiatru międzygwiezdnego.

Ponieważ natężenie promieniowania słonecznego szybko spada wraz z oddalaniem się sond od Słońca konieczne było użycie jako źródła energii elektrycznej trzech izotopowych generatorów termoelektrycznych (MHW-RTG). Każdy generator zawiera około 4,5 kg dwutlenku plutonu 238 o czasie półrozpadu około 78 lat. Paliwo jądrowe jest umieszczone w środku kilku nagrzewanych i ekranujących promieniowanie kul. Z upływem czasu spada generowany strumień ciepła a termopary Si-Ge ( 480 połączonych szeregowo termopar ) ogniw termoelektrycznych ulegają degradacji. Stąd początkowa sumaryczna moc generatorów ca 500W ma spory zapas. Zespół trzech generatorów ( każdy ma 50,8 cm długości, 40,6 cm średnicy i waży 39 kg ) umieszczono na wysięgniku aby zminimalizować ilość szczątkowego promieniowania Gamma docierającego do przyrządów. Użyto osłon i obudowy berylowej.

Napięcie stałe generatorów 30 Vdc jest stabilizowane regulatorem równoległym aby zapewnić stały odbiór mocy bowiem przy braku obciążenia termoelementy się przegrzewają. Moc nie jest jednak wydzielana w tranzystorze mocy regulatora ale w masywnym oporniku mocy. Pamiętać należy że moc cieplna jest w próżni oddawana tylko promieniowaniem. Napięcie stałe 30V z generatorów zasila system radiowy, żyroskopy, zawory sterujące w silnikach rakietowych, silniki ustawiające anteny i system kontroli temperatury przyrządów. Pozostała elektronika zasilana jest napięciem zmiennym o częstotliwości 2.4 KHz z jednej z dwóch przetwornic. Precyzyjny ( maksymalny błąd ±0.002% ) sygnał zegara 4.8 KHz doprowadzony jest do wszystkich instrumentów a podzielony przez 2 taktuje przetwornice.

NB. Współczesne przetwornice z transformatorami z rdzeniami ferrytowymi pracują na częstotliwościach ponadakustycznych. Ale częstotliwość 2.4 kHz dla rdzeni permalloyowych mogła być optymalna.

Podwójne obwody zasilania są chronione bezpiecznikami a dodatkowo komputer może każdy przyrząd wyłączyć dla oszczędności mocy lub przy jego uszkodzeniu. Obwód zasilania 30Vdc jest blokowany ( duże szczytowe prądy nadajników radiowych ) specjalnymi kondensatorami zdolnymi pracować w szerokim zakresie temperatur.

Z uwagi na duży pobór mocy przez zawory kontrolujące silniki rakietowe w początkowej fazie misji dwa zestawy baterii srebrowych mających każdy po 22 ogniwa napełniono elektrolitem w przestrzeni kosmicznej. Po 12 minutach ich zużycia zostały one odrzucone.

Łączność sond kosmicznych z Ziemią odbywa się w pasmach S i X. Skierowana zawsze w stronę Ziemi główna antena "paraboliczna" ma średnicę 3.7 m i wysoki zysk energetyczny. Kąt połowy mocy tej anteny dla pasma wynosi S 2,3 stopni a dla pasma X wynosi 0,5 stopnia. Na głównej antenie zamontowano mniejszą antenę pomocniczą. System komunikacyjny ma dwa odbiorniki na pasmo S na częstotliwości 2113MHz, parę nadajników na częstotliwości 2295MHz i parę nadajników w paśmie X na częstotliwości 8418MHz. Na pasmo X nie ma odbiorników. Komputer CCS może dowolnie skonfigurować system łączności system. W danym momencie pracuje tylko albo jeden odbiornik albo nadajnik. W stopniach końcowych nadajników użyto lamp z fala bieżącą TWT.

Nadajnik w zakresie S może pracować z mocą 9,4 W lub 28 W a nadajnik w zakresie X z mocą 12 W lub 21 W. Z uwagi na trwałość lamp z falą bieżącą TWT ( Travelling Wave Tube ) i oszczędność mocy nadajniki załączane są tylko w razie potrzeby.

Zalety redundancji i dowolności konfiguracji wykorzystano już po roku misji gdy uszkodził się jeden odbiornik.

Z uwagi na łączność cyfrową, między komputerami a częścią radiową użyto modulation / demodulation subystem (MDS) czyli modemu. Maksymalna szybkość łączności wynosi na "małym" dystansie 115,2 kilobitów na sekundę co pozwala w rozsądnym czasie przesłać zdjęcia i dane z pomiarów naukowych. Po ewentualnym opuszczeniu przez sondy układu Słonecznego szybkość łącz spadnie poniżej 100 bitów na sekundę a więc ponad 1000 razy.

Naziemny system łączności Deep Space Network (DSN - Sieć Głębokiego Kosmosu ) ma gigantyczne anteny o średnicy 34 m i 70 m. Mają one ogromy zysk energetyczny. Elementy systemu DSN znajdują się w Kalifornii, w Hiszpanii oraz w Australii aby łączność możliwa była całą dobę mimo obrotów Ziemi. System łączności jest asymetryczny. Moc nadajników naziemnych jest wielokrotnie większa niż moc nadajnika sondy. Odebrane dane są przesyłane do JPL ( NASA - legendarne Jet Propulsion Laboratory ) gdzie pracuje nad nimi ponad 200 badaczy.

W sondzie użyto trzech zdublowanych komputerów:

-Computer Command System (CCS)

-Attitude and Articulation Control System (AACS)

-Flight Data Subsystem (FDS) zbiera dane z kamer i przyrządów. Formatuje i kompresuje dane do i z modemu.

Komputery CCS i AACS mają jako pamięci RAM podwójne cieńkowarstwowe pamięci magnetyczne o pojemności zaledwie 4096 słów. Jednak potrzebne programy mogą być przesyłane z Ziemi. W misji wielokrotnie modernizowano oprogramowanie.

Komputer CCS dekoduje i wykonuje rozkazy z Ziemi. Rozkazy najczęściej tylko inicjują sekwencje czynności z pamięci. CCS diagnozuje sprawność wszystkich urządzeń i systemów oraz steruje pracą instrumentów naukowych. System naziemny musi wyznaczać skomplikowane trajektorie bowiem sondy wchodzą w pola grawitacyjne badanych planet zbliżając się do nich i z nich wychodzą nabierając prędkości i wykorzystując energie pola grawitacyjnego tak aby uzyskać prędkość ucieczki z systemu słonecznego.

AACS steruje delikatnie manewrami w trzech osiach 16 silniczkami rakietowymi o ciągu 0.9 N każdy, tak aby zawsze antena była skierowana dokładnie ku Ziemi. Komputer informacje uzyskuje z trzech dwuosiowych żyroskopów, sensora Słońca, systemu śledzenia położenia gwiazd ( Canopus star trackers ) oraz z Ziemi. Steruje położeniem "platformy naukowej" ( science platforms sterowanej w dwóch osiach względem całej sondy ) zawierającej dwie kamery telewizyjne szeroko i wąskokątne ze zmienianymi filtrami na różne zakresy promieniowania, spektrometr UV, photopolarimeter, spektrometr podczerwieni oraz radiometr. Do badań z dziedziny radioastronomii ( zakres fal 20kHz do 40.5MHz ) służy Radio Science System.

Perfekcyjne kontrolowanie trzech osi służy trzem celom. Do dokładnego trzymanie się trajektorii, zapewnienia komunikacji z Ziemią kierunkową anteną oraz do dołączenia współrzędnych do wszystkich pomiarów i zdjęć.

Z uwagi na ograniczoną szybkość transmisji z Ziemia FDS może dane zapisać na ośmiościeżkowej, dwuprędkościowej pamięci taśmowej ( magnetic tape recorder ) o pojemności 536 Mbit aby je później wysłać.

Na długim wysięgniku umieszczono dwa bardzo czułe trzyosiowe magnetometry FluxGate. Sonda ma też osobną antenę prętowa do pomiaru fal plazmy oraz sensor naładowanych cząstek o niskiej energii. Ma też sensor promieniowania kosmicznego Cosmic Ray System.

Systemy sond nie są specjalnie nowoczesne jako że prace nad nimi rozpoczęto już w pierwszych latach ubiegłej dekady. Jednak parametry przyrządów są bardzo wysokie. Obecnie zamiast kamer widikonowych można by zastosować lepsze kamery CCD.

Zastosowanie tranzystorów w nadajnikach mikrofalowych na pasmo S i X zastępujących lampy z falą bieżącą pozwoli zwiększyć niezawodność oraz pozbyć się zasilaczy wysokiego napięcia dla lamp.

Konstrukcja komputerów jest przestarzała ale ograniczone możliwości komputerów sprawiły że użyto bardzo dobrych koncepcji jak choćby możliwość dosłania nowych procedur które w biegu zastępują stare oprogramowanie.

Cześć urządzeń sond uległo uszkodzeniu a mimo to kontynuują one swoje misje.

Obecnie śmieszą małe możliwości komputerów misji Apollo ale nie wiadomo kiedy człowiek znów postawi nogę na księżycu. Raczej podziwiać trzeba ludzki geniusz zdolny wykonać potężne zadania skromnymi środkami.

Z drugiej strony dochód narodowy per capita Amerykanina był znacznie większy od naszego obecnego już przed wojną, gdy komputerów nie było wcale !

Wszystkie rodzaje sensorów sond Voyager używane są w laboratoriach badawczych a nawet automatyce przemysłowej.

Pozornie egzotyczne, czułe sensory pola magnetycznego FluxGate jako kompasy używane są do nawigacji morskiej i lotniczej. Współpracują z komputerem trasy i autopilotem. Proste, miniaturowe FluxGate są używane w kleszczowych i zbliżeniowych miernikach prądu a także w izolowanych sensorach prądu faz w falownikach.

Coraz popularniejsze są spektrometry. Znanych jest co najmniej dwanaście rodzajów spektrometrii promieniowania elektromagnetycznego oraz cztery spektrometrie cząstek. Spektrometria jest powszechnie stosowana w fizyce, „chemii”, przemyśle i astronautyce. Bada się skład chemiczny, budowę atomową i strukturę powierzchni. „Chemia” to także biochemia i farmaceutyka a więc dziedziny uważane za przyszłościowe.

Doświadczenia z dziedziny łączności z pewnością przyczynią się do jej rozwoju i doskonalenia.

Wysokiej niezawodności wymagamy od wszystkich satelitów, także telekomunikacyjnych. Uszkodzenia mogą jednak ograniczać ich funkcjonalność.

Obecnie wraz z dogasaniem II Zimniej Wojny sektor militarny przestaje być nośnikiem

nowoczesności i postępu.

Co kilka lat asteroidy mijają się z Ziemią w „niewielkiej” odległości. Uderzenie z ogromną prędkością asteroidy w Ziemię skończyłoby się tragicznie dla ludzi i większości gatunków mieszkających na ziemi. Asteroida uderzy raczej w morza lub oceany ponieważ ponad 70% powierzchni Ziemi to wody. Oceaniczna fala uderzeniowa o prędkości nad lub poddźwiękowej i wysokości kilkudziesięciu metrów wdzierając się w głąb lądu zniszczyłaby wszystko na głębokość kilkuset kilometrów. Fala uderzeniowa powstała przy uderzeniu asteroidy w ląd zabiłaby setki milionów ludzi. Dymy i pyły z monstrualnych pożarów zasłałyby niebo na całe lata kończąc byt wielu gatunków. Małe asteroidy średnicy 200-300 metrów w przeszłości uderzały w Ziemie co circa 50 tysięcy lat. Tak więc prędzej czy później uderzenie nastąpi. Oczywiście USA i ZSRR mogłyby zepchnąć asteroidę odrobinę z jej trajektorii i zapobiec apokalipsie. Asteroidę trzeba jednak precyzyjnie namierzyć w dużej odległości i ocenić jaka jest szansa kolizji z Ziemią.

Jak dotychczas największą katastrofą naturalną zanotowaną w ludzkiej pamięci jest epidemia Czarnej Śmierci z 1348 ( 1347-1353 ) roku. Epidemia dżumy zaczęła się w Azji a prawdopodobnie w Chinach. W Europie zmarło 30-60% populacji aby były całe połacie krajów bez ludzi. Populacja świata spadła z 450 na 350 milionów. Potrzeba było 150-200 lat aby odbudować populacje.

Zderzenie z asteroid dałoby nieporównanie większe szkody.

Niezawodna elektronika musi mieć ograniczoną temperaturę pracy. Wszelkie tranzystory mocy muszą pracować bez przekroczenia napięcia 0.6 Uceo i daleko w obszarze bezpiecznej pracy. Częstotliwość taktowania niezawodnych komputerów o małej stopie błędów musi być obniżona a połączenia GND i Vcc muszą mieć małe szumy a sygnały małe odbicia aby marginesy zakłóceń były bardzo duże. Niebezpieczne jest też promieniowanie kosmiczne. Znane są modyfikacje technologi mikroelektronicznej dające układy o zwiększonej odporności na promieniowanie jonizujące.

Sondy Voyager nie znalazły dowodów na istnienie Boga. Od 1960 roku trwają całkowicie bezskuteczne poszukiwania życia w Kosmosie. Komputery analizują szumy odbierane gigantycznymi silnie kierunkowymi antenami radioteleskopów o potężnym wzmocnieniu, często z ogromnych odległości. Nie ma śladu jakiegokolwiek, nawet zaszyfrowanego, komunikatu czy informacji. Jest tylko przerażająca pustka. Jesteśmy sami !

W 1966 roku tygodnik TIME dał artykuł, w którym na tytułowe światopoglądowe pytanie „Czy Bóg już umarł” odpowiadali butni uczeni. Większość stwierdziła że skutkiem rozwoju nauki, Boga dla wyjaśnienia zjawisk wszechświata już nie potrzeba.

Lista wymogów jakie muszą być spełnione aby na jakiejś planecie powstało, utrzymało i rozwinęło się życie biologiczne jest coraz dłuższa. Znanych jest blisko 150 wymogów ! Szansa że istnieje we wszechświecie chociaż w części tak dogodne do życia miejsce jak Ziemia wynosi Zero.

Misje Voyagerów przynoszą nam nowe odkrycia. Okazuje się że wielkie planety na odległych orbitach chronią Ziemie przed zabójczymi dla nas meteorytami. Gdyby nie one to meteorytów na Ziemie spadałoby tysiące razy więcej. Mimo sprzyjających warunków do życia za każdym uderzeniem meteorytu zaawansowane życie na Ziemi uległoby totalnej zagładzie. Życie dinozaurów i miliarda innych gatunków ca 60 mln lat temu zakończył meteoryt o "średnicy" ledwie circa 10 km.

Abstrahując od wiary. Głupio byłoby zakończyć życie człowieka na Ziemi wojną termojądrowa albo zniszczyć atmosferę spaleniem bilionów ton węgla, ropy i gazu.

Sukcesem zakończył się program kosmiczny Apollo którego oficjalnym celem było stanięcie przez człowieka na Księżycu. Ale program miał także tajne cele militarne – szpiegowskie. Program kosztował 25 mld ówczesnych dolarów a więc bardzo dużo.

Pod koniec lat sześćdziesiątych skrystalizowano ideę pojazdów kosmicznych wielorazowego użytku nazwanych później promami kosmicznymi. Wyniesienie przez prom satelity szpiegowskiego, militarnego , komunikacyjnego, nawigacyjnego lub naukowego na niskie orbity miało dzięki promom kosztować rozsądne pieniądze. Oficjalnie projekt wahadłowców został ogłoszony w 1972 roku przez prezydenta Richarda Nixona.

Wynoszony od 1976 roku przez Jumbo Jeta na wysokość do 8 km prototypowy „prom” Enterprise posłużył do sprawdzenia systemu sterowania, treningu załogi i obserwacji zachowania promu w atmosferze. Prom ten nigdy nie został wystrzelony na orbitę.

Zbudowanie i przetestowanie niezawodnych rakiet wielokrotnego użytku ( ale zawsze po dużym remoncie ) zajęło kontrahentom NASA ponad 10 lat. Columbia osiągnęła orbitę w 1981 roku. Przez część czasu promy wykonywały tajne misje szpiegowskie. Miały wziąć udział w zimnowojennym programie tarczy antyrakietowej okrzykniętym jako Gwiezdne Wojny, umieszczając na orbitach ciężkie militarne satelity.

Cel redukcji kosztów umieszczenia satelity nigdy nie został osiągnięty. Każdy start promów kosztował około 1 mld dolarów a więc był niezwykle kosztowny.

Zamówiony w 1972 roku prom kosmiczny Challenger wykonał 10 lotów po czym uległ zniszczeniu podczas transmitowanego przez telewizje startu w 1986 roku. Oczywiście stracono załogę a w tym wyselekcjonowaną nauczycielkę która miała dać z pokładu wahadłowca transmitowaną, znakomitą lekcje dla uczniów w USA !

USA mają obecnie sprawny prom Discovery który pierwszy lot odbył w 1984 roku i prom Atlantis, który pierwszy lot odbył w 1984 roku. Program wahadłowców jest kontynuowany a jego koszt już obecnie przekroczył 70 mld dolarów.

Stopień komplikacji promów kosmicznych wraz z wynoszącymi je rakietami jest ogromny. Mimo tego ich niezawodność jest bardzo dobra. Ogrom wysiłku włożono w niezawodność systemów. Trzy silniki główne na paliwo ciekłe są sterowane i można je wyłączyć. Dopiero po stwierdzeniu ich całkowitej 100% sprawności i osiągnięciu przez nie 90% mocy włączane są nieodwracalne pomocnicze silniki rakietowe na paliwo stałe.

Przygotowano różne scenariusze awaryjne łącznie z odrzuceniem rakiet i lądowaniem na zapasowych lądowiskach w USA i lądowiskach na innych kontynentach. W rzeczywistości z powodu ogromnej prędkości i wysokości promu realizacja scenariuszy awaryjnych jest wątpliwa.

Ludzkość musi się oswoić z myślą że nieprędko stanie na Marsie a podróże kosmiczne są na razie mrzonką i inspiracją do kolejnych filmów.

Z powodu brak super źródła energii jesteśmy przywiązani do Ziemi. Podróże kosmiczne wymagają ogromnych prędkości aby w ogarnianym wyobraźnią czasie dolecieć do gwiazd. Jeden gram poruszający się z prędkością 0.9 c czyli prędkości światła ma energie kinetyczna taka jak bomba jądrowa mocy 25 kiloton TNT czyli trotylu ! Statek poruszający się z ogromną prędkością uległby odparowaniu po zetknięciu z najmniejszą drobiną materii pyłu kosmicznego a nawet rzadkim obłokiem gazu. Statek musiałby mieć tajemnicze ochronne „pole siłowe” spychające ślady materii z jego toru. Nadanie statkowi kosmicznemu o masie kilkuset ton prędkości 0.8c wymaga latami użycia mocy rzędu 100 000 GW czyli kilkaset razy większej niż mają wszystkie źródła energii na Ziemi. Tylko teoretycznie laserem o niewyobrażalnej mocy można z dostępnej energii wytworzyć ciąg do rozpędzania statku do „prędkości kosmicznych”.

Łączność radiowa jest możliwa tylko na ograniczonym dystansie. Tylko osoby nieśmiertelne mogłyby przetrwać długotrwałą podróż. Alternatywnie masywny statek pozwalałby na życie kolejnym pokoleniom podróżników zagubionych w kosmosie.

Na gruncie znanej nam obecnie fizyki eksploracja kosmosu jest absolutnie niemożliwa. Ale nie jest nigdzie autorytarnie powiedziane że kiedyś lepiej nie poznamy fizyki.

Oczywiście możemy obecnie zbudować znacznie lepsze statki badawcze niż Voyager ale nie nadamy im znacząco większej prędkości i nie utrzymamy znacząco dłużej łączności.

Owszem bogacze mający do dyspozycji najlepszą żywność i najnowszą medycynę żyją dłużej niż zwykli ludzkie ale tylko trochę dłużej. Nieśmiertelność jest starym jak świat marzeniem ludzkości.

Rozsądek każe nam oszczędnie dysponować zasobami Ziemi jeśli chcemy aby ludzkość żyła wiecznie ! 

Całość:
https://drive.google.com/open?id=1N9hLzAi-rKcQqZdIhjijErmFIGJGnknE