Satelity BRITE - Wszechnica PAN

POLSKIE PROJEKTY
KOSMICZNE
Piotr Orleański
Centrum Badań Kosmicznych PAN
[email protected]
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
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””
2004-2014?, Comet 67 P/ Churyumov- Gerasimenko
HERSCHEL – ESA „cornerstone mission”
2009-2013, 1500000km (L2)
Precyzja
Złożoność
BRITE – 6 tanich satelitów (2xA, 2xPL, 2xCAN)
2013-2015(?), LEO 800km
Małe jest piękne
IBIS TELESCOPE for
International Gamma Ray Laboratory
Efektywność
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
INTEGRAL
Detektory pomiarowe:
doskonały przykład zastosowania technologii opracowanej dla
eksperymentu kosmicznego w codziennym życiu
ISGRI
(Integral Soft Gamma ray Imager)
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)
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.
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
PFS – Mars Express
Cierpliwość
Interferometr Michelsona
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
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)
Planetary Fourier
Spectrometer (PFS)
Mars Express Mission
Deep Space
Block/Unblock Systems
Scanner
Interferometer
Temp.
Optics
Low Pass Gain
Filters Controls
Moving
Black
Body
Mirror
Temp.
Calibration
Lamp
Zero
Cross
Detector
Motion control
High
accuracy
A/D
Sample Converters
Trigger
Main Controller of Fourier Spectrometer
Power Supply
Unit
Primary
Power
HPC
HouseKeeping
System
Satellite’s HK
On-Board
Commands
On-Board
Telemetry
Satellite’s Main Computer (OBDH)
Mass Memory
Digital Signal
Processor
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)
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.
jedno z najbardziej oryginalnych „selfie”
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
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.
Zadania badawcze MUPUS’a to pomiar rozkładu temperatury
w podpowierzchniowych warstwach podłoża i wartości
przewodności termicznej otaczającego go ośrodka
Kontynuacja ROSETT-y – polska
specjalizacja na świecie
KRET
ultra-lekki manipulator
Mass: 2.0 – 2.5kg
Deployment length: 3.0m
3DoF
Load: 1-10kg (depends on local gravity)
CHOMIK w misji PHOBOS Sample/Return
InSight (Interior Exploration using Seismic
Investigations, Geodesy and Heat Transport)
Misja NASA, lądownik na Marsie w 2016. 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
Misja Herschel
Złożoność
HERSCHEL Space Observatory
(dawna nazwa FIRST - Far InfraRed Space Telescope)
Jest to czwarta „cornerstone mission” w programie ESA
„HORIZON 2000”. Start Ariane-5 z Koruou - maj 2009. 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.
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
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.
HIFI (Heterodyne Instrument for Far Infrared)
• Zakresy częstotliwości: bardzo daleka podczerwień - 480-1910 GHz,
• Analiza rozkładu przestrzennego źródeł promieniowania reliktowego (2.7K),
• Analiza spektralna promieniowania planet i małych ciał Układu Słonecznego – analiza
składu chemicznego atmosfery i powierzchni.
HIFI (Heterodyne Instrument for Far Infrared)
from
telescope
Space Research Organization, The Netherlands
Jet Propulsion Laboratory
LOU
FPU
Housing
7 LO Assemblies
with 7x2 LO chains
and power amplifiers
Common Optics
Calibration source
Chopper mechanism
7 Mixer Assemblies
each with 2 mixers
IF amplifiers
LSU
LCU
Control
Control
Master oscillator Multiplier bias
Synthesizer
Power amplifier
Ref. distribution
bias
Sec Power for
LSU
Local Oscillator
Swiss Federal Institute of Technology / Institute of
Astronomy (ETH)
Focal Plane
Unit
FCU
HRS-v
HRS-h
WBS-v
WBS-h
Control
Mixer bias
Amplifier bias
Mechanism control
IF processor
Sub-band division
IF processor
Sub-band division
IF processor
Sub-band division
IF processor
Sub-band division
f~1GHz
f variable
f 4 GHz
f 1 MHz
f 4 GHz
f 1 MHz
Back-end Spectrometers
f~1GHz
f variable
Instrument Control Unit
Instrument Control
Unit (for FCU only)
Power Conditioning
Instrument Controller
Command Interface
Data Interface
Max Planck Institut für Radioastronomie
Jet Propulsion Laboratory
CSA & COM DEV
Space Research Center PAS
Centre d’Etude Spatiale des Rayonnements
spacecraft
CDMS
Max Planck Institut für Aeronomie/
University of Cologne / KOSMA
IFSI / CNRS & Carlo Gavazzi Space
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 (1999-2008), 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)
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, SRONUtrecht, 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
Włączenie, po raz
pierwszy, LCU Red.
Awaryjne
przejście LCU
Nominal-Standby,
redukcja prądu
zasilania
Skok napięcia na
wejściu LCU,
awaria jednej z
diod w Main LCU
Modyfikacja SW
Stała kontrola CRC
Ponad trzy
lata
pracy bez
awarii,
ponad 50
SEU, w
tym dwa
krytyczne
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”
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.
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 98o, 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.
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
Teleskop
Matryca CCD KODAK KAI-11002-M
11 Mega pikseli
Organizacja 4008x2672
Zdjęcia i rysunki: SFL University of Toronto i Technical University of Graz
BRITE-PL 1 – testy w CBK
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
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
A może udział w Mars Sample Return?
Dziękuję za uwagę
Ogólnie przyjęty na świecie schemat
organizacji sektora kosmicznego
Projekty
naukowe
Nowe
technologie
Nauka
KE
Komunikacja
ESA
Rynek
Administracja
państwowa
Agencja
Narodowa
EDA
Wojsko
Nawigacja
Obserwacje
Ziemi
Meteorologia
Stymulacja
Koordynacja
Uczestnicy
Inne aplikacje
Polska jeszcze 10 lat temu
Nauka
CBK
PAN
Projekty
naukowe
a także CAMK w
misji Integral
Nawigacja
Rynek:
Pojedyncze firmy
aplikacyjne (głównie
nawigacja i
wykorzystanie map
satelitarnych)
Obserwacje
Ziemi
Polska obecnie
Nauka i
technologia:
CBK
PAN
Różne
projekty
Interkosmos,
ESA, NASA,
CNES
a także CAMK, PW,
PWr
Projekty
naukowe
Nowe
technologie
Nawigacja
MNiSW, KBN
Obserwacje
Ziemi
Rynek:
Pojedyncze firmy,
pierwsze konsorcja
Polska Agencja
Kosmiczna, POLSA
w 2015
Inne aplikacje