POLSKIE PROJEKTY KOSMICZNE. Piotr Orleański Centrum Badań Kosmicznych PAN

Transkrypt

1 POLSKIE PROJEKTY KOSMICZNE Piotr Orleański Centrum Badań Kosmicznych PAN

2 Instrumenty naukowe opracowane w CBK PAN: Słońce w paśmie X : 20 instrumentów zbudowanych przez Zakład Fizyki Słońca CBK we Wrocławiu i wystrzelonych w 6 rakietowych i 3 satelitarnych eksperymentach, Fizyka Plazmy: ponad 30 instrumentów wystrzelonych w 20 misjach satelitarnych i rakietowych, dwie misje w przygotowaniu, Geodezja Planetarna, Teledetekcja, Planetologia: instrumenty dostarczone w 6 misjach, następnych siedem w przygotowaniu, Astrofizyka: czujnik położenia gwiazd w misji Gamma-1 plus kompletne podsystemy w eksperymentach IBIS/Integral, JEM-X/Integral, HIFI/Herschel 4 instrumenty i dwa satelity aktualnie pracują w kosmosie: INTEGRAL, Mars Express, OBSTANOVKA/ISS i ROSETTA (w listopadzie wyląduje na komecie), BRITE-PL Lem i BRITE-PL Heweliusz W przygotowaniu: jeden satelita i kilkanaście instrumentów, w tym między innymi: TARANIS, ASIM/ISS, BEPI COLOMBO, SolarOrbiter, CASSIS, InSight, PROBA3, OP-Sat, JUICE/RPW, JUICE/SWI, LOFT, ATHENA, AIS. Oraz bardzo istotny wkład w rozwijanie aktywności polskiego, przemysłowego sektora kosmicznego

3 Wybrane misje satelitarne INTEGRAL - ESA middle scale mision 2002-???, 72-godzinna orbita Ziemi Efektywność Mars Express - ESA middle scale misssion 2003-???, orbita Marsa Cierpliwość ROSETTA - ESA cornestone mision ?, Comet 67 P/ Churyumov- Gerasimenko Precyzja HERSCHEL ESA cornerstone mission , km (L2) Złożoność BRITE 6 tanich satelitów (2xA, 2xPL, 2xCAN) (?), LEO 800km Małe jest piękne

4 IBIS TELESCOPE for International Gamma Ray Laboratory Efektywność

5 INTErnational Gamma RAy Labolatory Badanie obiektów astronomicznych znajdujących się poza naszą galaktyką, Badanie zjawisk zachodzących przy syntezie jądrowej w gwiazdach (np. wybuchy supernowych), ~150000km Badania struktury galaktyk, Poznanie źródeł wysokoenergetycznego promieniowania kosmicznego W październiku 2002 umieszczono satelitę na eliptycznej orbicie okołoziemskiej (orbita trzydniowa, nachylenie około 50, perigeum kilka tysięcy km, apogeum ponad sto tysięcy km) za pomocą rakiety Proton. Planowany czas pracy satelity na orbicie ponad 5 lat został już dwukrotnie przekroczony. Aparatura naukowa na pokładzie: IBIS - teleskop promieniowania o dobrej rozdzielczości kątowej i gorszej spektralnej, 15keV-10MeV SPI - spektrometr promieniowania o dobrej rozdzielczości spektralnej i gorszej kątowej, 18keV-8MeV JEM-X - wspomagający obserwacje monitor promieniowania X OMC - wspomagająca obserwacje kamera optyczna ~10000km

6 INTEGRAL

7 Detektory pomiarowe: doskonały przykład zastosowania technologii opracowanej dla eksperymentu kosmicznego w codziennym życiu ISGRI (Integral Soft Gamma ray Imager)

8 Teleskop IBIS - zakłócenia Układ VETO (antykoincydencji): 16 bloków fotopowielaczy (specjalne kryształy z BGO reagujące błyskami światła na promieniowanie gamma i bardzo czułe i szybkie detektory światła) Veto Electronics Box (weryfikacja i obróbka impulsów, zasilanie i sterowanie VETO, generacja impulsów blokujących detektory główne)

9 INTEGRAL Przyrząd pracuje poprawnie na orbicie już ponad dziesięć lat. Zastosowane rozwiązania konstrukcyjne, będące w dużej mierze rezultatami zaproponowanego procesu optymalizacji układu antykoincydencji, sprawdziły się w rzeczywistych warunkach eksperymentu.

10 EFEKTYWNOŚĆ Koszt udziału Polski w eksperymencie można oszacować jako 0.17% kosztu całego projektu. Wydano w Polsce około 1MEUR, projekt kosztował ESA 600MEUR (satelita 300MEUR, aparatura 200MEUR, wyniesienie 100MEUR). Dwie grupy polskich naukowców otrzymały w sumie 5% gwarantowanego czasu obserwacyjnego. 5% w porównaniu z 0.17% to stosunek nakładów do rezultatów jak 1:30

11 PFS Mars Express Cierpliwość

12 Interferometr Michelsona

13 MARS 92 - MARS 94 - MARS 96 Masa satelity 6700 kg, w tym paliwo 3000 kg i aparatura naukowa 550 kg. 24 instrumenty plus dwa lądowniki i dwa penetratory budowane w 24 krajach (w tym ESA) USSPACECOM Space Surveillance Network (SSN) śledziła start rakiety Sojuz aż do momentu oddzielenia się trzeciego stopnia, potem, 16 listopada o godzinie 19:49 czasu EST, zaobserwowała wejście niezidentyfikowanego obiektu w ziemską atmosferę i upadek do Pacyfiku w okolicy wybrzeża Chile MARS-96 został wystrzelony 16 listopada 1996 o godzinie 20:48:53 czasu UTC z Bajkonuru Wybrzeże Chile

14 MARS EXPRESS misja ESA zorganizowana po fiasku MARS 96. Zaproponowano użycie zapasowych egzemplarzy kilku instrumentów (ostra selekcja, po której pozostało tylko 200kg aparatury z 550kg z MARS 96)

15 Planetary Fourier Spectrometer (PFS) Mars Express Mission Deep Space Block/Unblock Systems Calibration Lamp Black Body Scanner Temp. Interferometer Optics Moving Mirror Motion control Temp. Low Pass Filters Zero Cross Detector Gain Controls Sample Trigger High accuracy A/D Converters Power Supply Unit HouseKeeping System Main Controller of Fourier Spectrometer On-Board Commands On-Board Telemetry Mass Memory Digital Signal Processor Primary Power HPC Satellite s HK Satellite s Main Computer (OBDH)

16

17 Kontynuacja PFS / MarsExpress misje do Wenus (PFS / VenusExpress, 2005), Merkurego (MERTIS / BepiColombo, 2016) i Marsa (CASSIS / ExoMars, 2016) Opracowany w CBK system skanujący dla Spektrometru IR MERTIS Kolorowa stereo-kamera CASSIS dla misji ExoMars, polski wkład opracowywany w CBK system zasilania (na fioletowo)

18 ROSETTA LANDER & MUPUS Rakieta nośna: Arianne 5. Statek kosmiczny: masa startowa w przybliżeniu 3000 kg włączając 1670 kg paliwa, 165 kg aparatury naukowej orbitera i 100-kilogramowy lądownik. Start w 2004 roku. Dolot do komety w 2014 Precyzja MUPUS MUlti PUrpose Sensors for surface and sub-surface science jeden z siedmiu przyrządów umieszczonych na lądowniku ROSETTA.

19 jedno z najbardziej oryginalnych selfie

20 Po wylądowaniu na komecie lądownik zacznie wysuwać, za pomocą systemu wysięgnika, penetrator służący do pomiaru właściwości termicznych gruntu kometarnego. Oba systemy, wysięgnik i penetrator, zostały opracowane w CBK PAN

21 Sercem mechanizmu wbijającego jest młotek rozpędzany silnym polem elekromagnetycznym. Przy zasilaniu pokładowym rzędu 1-2 W moc w impulsie wynosi nawet kilka kilowatów i powoduje, że element ruchowy młotka na drodze 6 mm jest w stanie przyspieszyć do prędkości nawet 10 m/s. Tak duża energia uderzenia (ok.1j) zapewnia poprawne wbijanie się penetratora w różnego rodzaju grunt.

22 Zadania badawcze MUPUS a to pomiar rozkładu temperatury w podpowierzchniowych warstwach podłoża i wartości przewodności termicznej otaczającego go ośrodka

23 Kontynuacja ROSETT-y polska specjalizacja na świecie KRET ultra-lekki manipulator Mass: kg Deployment length: 3.0m 3DoF Load: 1-10kg (depends on local gravity) CHOMIK w misji PHOBOS Sample/Return

24 InSight (Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport) Misja NASA, lądownik na Marsie w Na pokładzie dwa europejskie instrumenty naukowe: opracowany w CNES sejsmometr oraz firmowany przez DLR zestaw kret / czujniki termiczne i grzałki przeznaczone do badania przewodności cieplnej gruntu marsjańskiego do głębokości 5m pod powierzchnią. Kret jest opracowywany, jako misja ratunkowa, przez CBK PAN. 5m

25 Misja Herschel Złożoność

26 HERSCHEL Space Observatory (dawna nazwa FIRST - Far InfraRed Space Telescope) Jest to czwarta cornerstone mission w programie ESA HORIZON Start Ariane-5 z Koruou - maj Po 60 dniach Herschel został umieszczony razem z satelitą Planck ( dual launch configuration ) w punkcie docelowym - L2 w układzie Słońce / Ziemia. Misja trwała ponad 3 lata, w 2013 wyczerpały się zasoby nadciekłego Helu.

27 Satelita Herschel Osłona słoneczna Teleskop Chłodzone detektory Panele słoneczne (na zewnętrznej powierzchni osłony słonecznej) Zbiornik helu Moduł serwisowy i instrumenty wymiary zewnętrzne 7m x 4m, waga 3300kg

28 Satelita Herschel: technologia 3.5 metrowy teleskop w układzie Cassegrain a jest największym, dotychczas zbudowanym teleskopem satelitarnym. Oba zwierciadła teleskopu i jego struktura mechaniczna wykonane są węglików krzemu. Waga zwierciadła 300kg, RMS teleskopu mniejsza niż 6 µm. Satelita zabiera 2560 litrów ciekłego helu. Układy wejściowe (detektory) przyrządów pracują w temperaturze bliskiej zera absolutnego.

29

30 HIFI (Heterodyne Instrument for Far Infrared) Zakresy częstotliwości: bardzo daleka podczerwień GHz, Analiza rozkładu przestrzennego źródeł promieniowania reliktowego (2.7K), Analiza spektralna promieniowania planet i małych ciał Układu Słonecznego analiza składu chemicznego atmosfery i powierzchni.

31 HIFI (Heterodyne Instrument for Far Infrared) LOU Housing 7 LO Assemblies with 7x2 LO chains and power amplifiers LSU Control Master oscillator Synthesizer Ref. distribution LCU Control Multiplier bias Power amplifier bias Sec Power for LSU Local Oscillator from telescope FPU Common Optics Calibration source Chopper mechanism 7 Mixer Assemblies each with 2 mixers IF amplifiers Focal Plane Unit FCU Control Mixer bias Amplifier bias Mechanism control HRS-v IF processor Sub-band division f~1ghz f variable Space Research Organization, The Netherlands Jet Propulsion Laboratory Swiss Federal Institute of Technology / Institute of Astronomy (ETH) HRS-h IF processor Sub-band division f~1ghz f variable WBS-v IF processor Sub-band division Back-end Spectrometers f 4 GHz f 1 MHz WBS-h IF processor Sub-band division f 4 GHz f 1 MHz Instrument Controller Command Interface Instrument Control Unit Instrument Control Unit Power Conditioning (for FCU only) Data Interface Max Planck Institut für Radioastronomie Jet Propulsion Laboratory CSA & COM DEV Space Research Center PAS spacecraft CDMS Centre d Etude Spatiale des Rayonnements Max Planck Institut für Aeronomie/ University of Cologne / KOSMA IFSI / CNRS & Carlo Gavazzi Space

32 Local Oscillator Control Unit (LCU), blok elektroniki zbudowany w całości w CBK, stanowi serce podsystemu Lokalnego Oscylatora HIFI (LO). Jego zadaniem jest zasilanie, sterowanie i kontrola parametrów całego podsystemu LO. Model lotny (docelowy) bloku LCU ma wymiary 30x25x25cm, waży 16.5kg, w 28 modułach elektroniki zawiera ponad 3000 elementów pasywnych i 7500 elementów aktywnych. Wszystkie elementy elektroniczne charakteryzują się odpornością na radiację powyżej 50krad. Wszystkie bloki urządzenia są dublowane, elementy mają certyfikaty niezawodności ESA SCC, proces produkcyjny był nadzorowany przez inspektorów z Niemiec, Holandii i ESA. 10 lat pracy zespołu ( ), w tym czasie opracowano, wykonano i przetestowano 10 różnych modeli 17 osób uczestniczących w projekcie (4-5 zaangażowanych stale, maksymalnie 10 osób aktywnych w gorących okresach projektu)

33 Rok 2010 był przełomowym dla eksperymentu HIFI w misji Herschel. Po awarii w sierpniu 2009 bloku LCU i pięciomiesięcznych pracach związanych z przywróceniem LCU do pracy (CBK PAN, JPL, SRON-Groningen, SRON- Utrecht, ESTEC, MPIfR Bonn), w styczniu 2010 nastąpiło ponowne włączenie instrumentu na orbicie. Zaproponowana procedura zapobiegania efektom SEU sprawdziła się w pełni w praktyce, blok LCU pracuje bez awarii do chwili obecnej. Pozwoliło to na nadrobienie zaległości w wykorzystaniu czasu obserwacyjnego instrumentu HIFI i przyniosło wiele ciekawych obserwacji naukowych opublikowanych w ponad 60 artykułach. SEU w krytycznym obszarze pamięci programu 5 miesięcy pracy Zła specyfikacja pamięci RAM Wyłączony CRC Dodana duża indukcyjność na wejściu LCU Awaryjne przejście LCU Nominal-Standby, redukcja prądu zasilania Skok napięcia na wejściu LCU, awaria jednej z diod w Main LCU Włączenie, po raz pierwszy, LCU Red. Modyfikacja SW Stała kontrola CRC Ponad trzy lata pracy bez awarii, ponad 50 SEU, w tym dwa krytyczne

34 BRITE-PL: poważna astrosejsmologia i prosta (i tania) technologia 16 grudnia 2009 Minister Nauki i Szkolnictwa Wyższego podpisała decyzję o przyznaniu 14.2 mln złotych z Funduszu Nauki i Technologii Polskiej na realizację projektu BRITE-PL. Cztery lata trwała w CBK budowa i testy dwóch satelitów. W listopadzie 2013 BRITE-PL Lem został wystrzelony przez Kosmotras z poligonu w Yasny k. Bajkonuru na pokładzie rakiety Dniepr. BRITE-PL Heweliusz został wystrzelony w sierpniu 2014 przez CGWIC na pokładzie Long March 4B

35 Satelity BRITE będą miały za zadanie wykonanie precyzyjnej fotometrii najjaśniejszych gwiazd na niebie. Wśród tych gwiazd znajduje się bardzo wiele masywnych i gorących gwiazd, w których obserwuje się pulsacje. Pulsacje takie mogą dostarczyć dokładnych informacji na temat wewnętrznej struktury gwiazd, m.in. profilu rotacji we wnętrzu czy zasięgu strefy konwektywnej. Informacje te mają kluczowe znaczenie w zrozumieniu budowy i ewolucji najmasywniejszych gwiazd w Galaktyce. W eksperymencie zakładamy obserwację kilkuset (około 350) gwiazd.

36 Satelity BRITE: Dwa austriackie - jeden budowany na podobnej zasadzie jak BRITE-PL przez Graz University of Technology, drugi budowany przez SFL dla University of Vienna, start obu w lutym 2013 (ISRO / PSVL / Shirakota, orbita około 800 km, Sun-Synchrounous Polar, około 100min.), oba weszły w fazę eksploatacji. Dwa polskie budowane w CBK PAN: Lem, orbita 650 km, Sun-Synchrounous, RAAN 10:30, inklinacja 98 o, około 90 min., obecnie kończymy testy na orbicie. Heweliusz, start w lipcu 2014 na SSO/630km. Dwa kanadyjskie budowane przez SFL, start w lutym 2014, tylko jeden został prawidłowo oddzielony od rakiety. Stacje naziemne : University of Graz, UTIAS SFL, Vancouver, CAMK PAN W-wa Mała, precyzyjna szerokokątna kamera umieszczona w kosmosie zobaczy dostatecznie dużo jasnych gwiazd, bez zakłócającego i nieprzewidywalnego wpływu atmosfery. Umieszczenie na orbicie własnych satelitów pracujących w konstelacji daje możliwość prowadzenia długotrwałych obserwacji tych samych gwiazd.

37 BRITE Wymiary satelity 20x20x20cm, Waga satelity ~6 kg, Zasilanie 5.4W do 9W, Pojemność baterii ~5.4Ah, Pamięć pokładowa > 2Gb, Transmisja komend (uplink) do 4kb/s, Transmisja danych (uplink) 32k-1Mb/s, Okno komunikacyjne około 10 min./orbitę Precyzja ustalenia pozycji ~1º, Stabilność ustalenia pozycji ~1arcmin RMS, Jeden instrument naukowy teleskop: Średnica pola widzenia 24º, Czułość gwiazdy silniejsze niż 3.5 mag. Stabilność pomiaru jasności ~20ppm, Zdjęcia i rysunki: SFL University of Toronto lub Technical University of Graz

38 Teleskop Matryca CCD KODAK KAI M 11 Mega pikseli Organizacja 4008x2672 Zdjęcia i rysunki: SFL University of Toronto i Technical University of Graz

39 BRITE-PL 1 testy w CBK

40 W ciągu ostatnich trzydziestu lat aktywności w CBK udowodniliśmy, że zbudowanie w instytucie naukowym bardzo skomplikowanego urządzenia satelitarnego jest możliwe. Urządzenie to może spełnić wszystkie wymagania i poprawnie pracować przez wiele lat w kosmosie. Teraz kolej na polski przemysł. 40

41 Co dalej? współpraca z ESA od 2007, pełne członkostwo od 2012 satelity dual-use (program ogłoszony przez NCBiR ze wsparciem MON) satelita AIS Min.Gospodarki plus ESA widoczny rozwój polskiego, przemysłowego sektora kosmicznego następne projekty naukowe (JUICE, PROBA, ATHENA, ) agencja kosmiczna (styczeń 2015?) polski narodowy program kosmiczny

42 A może udział w Mars Sample Return?

43 Dziękuję za uwagę

44 Nauka Rynek Ogólnie przyjęty na świecie schemat organizacji sektora kosmicznego KE ESA Projekty naukowe Nowe technologie Komunikacja Administracja państwowa Wojsko Agencja Narodowa EDA Nawigacja Obserwacje Ziemi Meteorologia Stymulacja Koordynacja Uczestnicy Inne aplikacje

45 Polska jeszcze 10 lat temu Nauka CBK PAN a także CAMK w misji Integral Projekty naukowe Rynek: Pojedyncze firmy aplikacyjne (głównie nawigacja i wykorzystanie map satelitarnych) Nawigacja Obserwacje Ziemi

46 Polska obecnie Projekty naukowe Nauka i technologia: CBK PAN a także CAMK, PW, PWr Rynek: Pojedyncze firmy, pierwsze konsorcja Różne projekty Interkosmos, ESA, NASA, CNES MNiSW, KBN Polska Agencja Kosmiczna, POLSA w 2015 Nowe technologie Nawigacja Obserwacje Ziemi Inne aplikacje